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JP3900144B2 - 発光ダイオードの形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は発光素子から放出される発光波長の少なくとも一部を蛍光物質により変換して放出する発光ダイオードに係わり、特に、発光むら、色むらや形成された発光ダイオード間における発光バラツキが少なく歩留りの高い発光ダイオードに関するものである。
半導体発光素子は、小型で効率よく鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子であるため球切れがない。駆動特性が優れ、振動やＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。そのため、各種インジケータや種々の光源として利用されている。しかしながら、このような発光素子は単色性のピーク波長を有するが故に白色系（白、ピンクや電球色など）の発光のみを得る場合においても、２種類以上の発光素子を利用せざるを得なかった。また、種々の発光色を簡単に得ることはできなかった。
単色性のピーク波長を発するＬＥＤチップと蛍光物質を利用して種々の発光色を発光させる発光ダイオードとして、特開平７−９９３４５号公報などに記載されたものが知られている。これらの発光ダイオードは、発光チップの発光を発光観測面側に反射するカップの底部に発光チップを積載させると共にカップ内部に充填された樹脂と、全体を覆った樹脂から構成することができる。内部に充填された樹脂中には発光チップからの光を吸収し、波長変換する蛍光物質を含有させてある。
蛍光物質が含有された樹脂は、液状のエポキシ樹脂などを発光素子が搭載されたカップ上に滴下注入し、加熱硬化させ色変換部材とさせる。カップ内部以外の樹脂は液状のエポキシ樹脂などを注型したキャスティングケース内に、色変換部材及び発光チップが形成されたフレーム部材先端を浸漬配置し、これをオーブンに入れ加熱硬化させることにより形成する。これにより、発光チップからの発光波長を蛍光物質によって波長変換した発光ダイオードとすることができる。例えば、ＬＥＤチップからの青色系の光と、その青色系の光を吸収し補色関係にある黄色系を発光する蛍光体からの光との混色により白色が発光可能な発光ダイオードとすることができる。
このような発光ダイオードを用いて、所望の白色系などを発光させるためには、それぞれの光を極めて精度良く発光させ混色調整させる必要がある。ＬＥＤチップからの光は、その半導体及び駆動電流などにより調節させることができる。一方、蛍光物質からの波長変換された光も蛍光物質の組成や粒径を制御することによってある程度調整することができる。
しかし、蛍光物質自体には密着力がない、或いは弱いため発光素子上に配置固定させるためには、種々の樹脂中など発光素子及び蛍光物質それぞれの光が放出可能な密着性を有するバインダー中に含有させる必要がある。このようなバインダー中に含有された蛍光物質は、その蛍光物質の含有量や分布などによってＬＥＤチップから放出された光量及び蛍光物質から放出された光量が大きく左右される。これらが制御できず、また発光素子から放出される可視光と蛍光物質から放出される光が可視光の混色によって色表現させる場合には、それぞれの可視光量の違いが大きな問題となる。特に、白色系は人間の目が僅かな色温度差でも識別することができるため大きな問題となる。したがって、本発明は上記問題点を解決し、極めて精度良く蛍光物質の含有量及び分布を均一とさせ発光特性の優れた、歩留りの高い発光ダイオードを提供することにある。
本発明者は種々実験の結果、蛍光物質を利用した発光ダイオードにおいて、発光ダイオード間のバラツキや発光ダイオードの色むらや発光むらは、蛍光物質の分布に大きく起因していること及び特定の形成方法により制御しうることを見出し本発明を成すに至った。
即ち、蛍光物質が含有された液状の透光性樹脂を発光素子が配置された上に注入して形成させる場合、注型での充填性を考慮し、粘度が５００〜１０００ｃｐｓ程度の低粘度のものが用いられる。蛍光物質と樹脂との比重が大きく異なるため、このような透光性樹脂中に蛍光物質を混合すると、両者は容易に分離する。したがって、軽い有機蛍光物質などを利用した場合は浮遊し、重い無機蛍光物質などを利用した場合は沈降する傾向にある。このような分離は蛍光物質の分散不均一を生ずる。
特に、バッチ式に樹脂と蛍光物質を混合した混合体を少量ずつ注型していく方法を繰り返して製造する場合、混合体の樹脂と蛍光物質の分離は時間と共に進行する。したがって、混合直後に注型して製造された発光ダイオードと、混合後しばらく後に注型して製造された発光ダイオードでは、蛍光物質の含有量が異なってしまう傾向にある。
また、注型が完了した発光ダイオードを加熱硬化させる時、樹脂が固体化するまでの間、温度上昇に伴い粘度が低下する。そのため、キャスティングケース内でも樹脂と蛍光物質の比重差による分離が発生し易い傾向にある。特に、発光素子からの可視発光と蛍光物質からの可視蛍光との混色光を発光させる発光ダイオードにおいては、蛍光物質の含有量変化及び封止樹脂内での分布不均一がすべて発光色の色温度変化として顕著に現れる。このような問題を以下の本発明によって解決することができる。即ち、本発明は、青色系を発光する発光素子と、該発光素子を載置する基板と、該発光素子からの青色系の光を吸収し蛍光を発する無機蛍光物質を含有する透光性樹脂と、を有し、前記発光素子からの光と前記無機蛍光物質からの蛍光により白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法であって、前記透光性樹脂の成形前に、エポキシ樹脂の原材料透光性樹脂中に該樹脂と比重が異なり青色光を吸収し蛍光を発する前記無機蛍光物質を含有させ固体にする工程と、前記固体を粉砕しプレスして固体状のタブレットを形成する工程と、前記基板に載置された前記青色系を発光する発光素子を金型に配置すると共に、前記レットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有してなる白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法である。
また、本発明の発光ダイオードの形成方法は、青色系を発光する発光素子と、該発光素子を載置する基板と、該発光素子からの青色系の光を吸収し蛍光を発する無機蛍光物質を含有する透光性樹脂と、を有し、前記発光素子からの光と前記無機蛍光物質からの蛍光により白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法であって、前記透光性樹脂の成形前に、エポキシ樹脂からなる透光性樹脂粉体と、比重が異なり青色系の光を吸収し蛍光を発する前記無機蛍光物質と、を混合攪拌させ、固めてタブレットを形成する工程と、前記基板に載置された前記青色系を発光する発光素子を金型に配置すると共に、前記タブレットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有してなる白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法である。
前記発光ダイオードの形成方法は、前記タブレットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化したものに更に所定の温度を加えて二次硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有する白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法である。

また、本発明の請求項４に記載の発光ダイオードの形成方法は、発光素子の発光層が少なくとも窒化物半導体からなると共に蛍光物質がセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（以下、ＹＡＧ蛍光体と呼ぶこともある。）である。これにより、形成された発光ダイオード間のバラツキがより少なく発光むらや色むらの少ない白色光が発光可能な発光ダイオードを形成させることができる。
本発明による製造方法を用いることによって、発光特性が安定した蛍光物質を有する白色系が発光可能な発光ダイオードを量産性良く製造させることができる。また、長時間量産時においても最初に形成された発光ダイオードと、後に形成された発光ダイオード間の発光ばらつきが極めて小さくさせることができる。さらに、比較的簡便に形成された発光ダイオード内における発光むらを低減させることができるため量産性と歩留りを向上させることができる。
本発明の実施態様例による発光ダイオードとして図１に、白色発光可能な発光ダイオード１００の模式的断面図を示してある。銅あるいは鉄系合金材の表面に銀あるいは金等のメッキ処理が施されたマウント・リード１０４の先端にＬＥＤチップを搭載するカップ上部を有する。搭載されたＬＥＤチップは単体では青色系の可視光を発光する発光素子１０３であり、マウント部材１０６となるエポキシ樹脂によりマウント固着されている。発光素子１０３の各電極は、金等よりなるワイヤ１０７でマウント・リード１０４及びインナー・リード１０５とワイヤボンド結合している。耐熱性に優れた透光性樹脂１０１としてノルボネン系樹脂、ポリメチルペンテン樹脂（ＴＰＸ）、非晶質ナイロン樹脂などの熱可塑性樹脂や脂環式エポキシ樹脂や含窒素エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によって封止してある。透光性樹脂中には、青色光を照射すると黄色の蛍光を発するＣｅで付活されたＹＡＧ蛍光体１０２を約５質量％混合してある。
発光ダイオードは、リードフレームにＬＥＤチップをマウント、ワイヤボンドしたものを成形型にインサートし、１個が数十ｍｍ3程度のペレット状の樹脂とＹＡＧ蛍光体をホッパに撹拌しながら収容したもの、或いは予め樹脂ペレット内にＹＡＧ蛍光体を混ぜ込んだものをホッパ内に収容した射出成形機で、射出成形し封止する。射出成型は樹脂を成型機のスクリュー内で数秒程度の短時間で加熱溶融、撹拌圧送し、型内に樹脂を注入し、型内に注入された樹脂は速やかに冷却され、数十秒で固化する。
本発明で透光性樹脂は、成型前状態において固体状とできる。成型機投入前に均一に樹脂ペレットと蛍光物質とを混合しておけば、液体のように樹脂中の蛍光物質が自由に沈降あるいは浮遊することはない。そのため、蛍光物質の混合状態は型内に投入前の状態まま保持される。また、成形時に樹脂が溶融し液体で存在する期間は数分から数十秒と、注型成形により熱硬化形成する方法の数時間と比較して極めて短い。また、射出される際にスクリューで加圧撹拌される場合、樹脂中での蛍光物質の分布はより均一にすることができる。さらに、固化までの時間も極めて短く樹脂と蛍光物質との分離もほとんど発生しない。
すなわち、成形前及び成形後固化までの間に樹脂と蛍光物質との分離が極めて発生し難い。これにより本発明の発光ダイオードでは、樹脂と蛍光物質の比重差によらず樹脂中に均一分散させることができる。そのため、発光ダイオード内の蛍光物質の分布均一だけでなく、製造ロット毎の蛍光物質の含有量バラツキも極めて少ない。
特にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を蛍光物質として含有した白色発光が可能な発光ダイオードとした場合、樹脂に較べ比重の大きいＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体でも常時極めて均一な分布のものができる。そのため色温度の均一な発光ダイオードが安定して形成し得る。以下、本発明に用いられる各構成について詳述する。
（射出成形機４００）
本発明に用いられる射出成形機４００としては、図４の如き蛍光物質含有の透光性樹脂を加熱溶融させプランジャー４０２でノズルを通して金型４０５内に射出し成形させられるために好適に用いられる。したがって、射出成型機は予め蛍光物質が一定量含有された透光性樹脂のペレット４０１を軟化溶融させ射出するためのプランジャー、プランジャーで押し出される融解樹脂を金型内に導くノズル及び成型品の形を与える金型から主として構成することができる。特に、発光ダイオードが発光素子からの可視光と、この可視光によって励起されると共に発光する蛍光物質との混色発光させる場合、混合分布量がごく微少量でも異なるとその発光色の変動が大きくなる。そのため、蛍光物質が含有された透光性樹脂を予備可塑化装置などを利用して攪拌溶融させることが好ましい。このような攪拌は、透光性樹脂中に含有される蛍光物質の密度が変化しない限り連続的、間欠的になど種々行うことができる。また、攪拌回転数は攪拌部となるスクリュー４０３の大きさ、蛍光物質の粒径や形状、バインダーの粘度、材質などによって種々選択させることができる。
（透光性樹脂１０１）
本発明に用いられる透光性樹脂は蛍光物質を内部に含有させ射出により一定の形状をとることができる樹脂である。具体的には、ノルボネン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、非晶質ナイロン樹脂、ポリアリレートやポリカーボネート樹脂など透光性がありかつ耐熱性に優れた熱可塑性樹脂、ポリアミドや酢酸ビニル等の１００℃から２６０℃程度の比較的低温、１から２５Ｋｇｆ／ｃｍ2程度の比較的低圧にていわゆるホットメルト成形と称される射出成形が可能でかつ透光性を有する熱可塑性樹脂及び脂環式エポキシ樹脂、含窒素エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が好適に挙げられる。これらの樹脂中に蛍光物質を溶融分散させ一定の大きさに形成させることで射出形成の軟化溶融材料となるペレットなどとすることができる。これらの透光性樹脂には所望の波長をカットする着色剤、所望の光を拡散させる拡散材、樹脂の耐光性を高める紫外線吸収剤、酸化防止剤や硬化促進剤など種々の添加剤を含有させることができる。
（蛍光物質１０２）
本発明に用いられる蛍光物質としては、発光素子から発光された電磁波で励起されて蛍光を発する蛍光物質をいう。蛍光物質は一般に発光波長よりも励起波長が短波長の方が効率が良いため、発光素子からの発光波長よりも長波長の蛍光を発する蛍光体を用いることが好ましい。具体的蛍光物質として青色の発光素子との混色により白色を発光させるためには、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、ペリレン系誘導体、銅で付活されたセレン化亜鉛など種々のものが挙げられる。特に、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、発光素子に窒化物半導体を用いた場合、耐光性や効率などの観点から特に好ましい。
セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも５３０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たすことができる。なお、本発明においてセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、最も広義に解釈するものとしてＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅのイットリウム（Ｙ）の代わりにＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍから選択される少なくとも一種と置き換えることができるものである。また、アルミニウム（Ａｌ）の代わりにＧａ、Ｉｎ、Ｂ、Ｔｌから選択される少なくとも一種と置き換えることができるものである。組成を変化させることで発光色を連続的に調節することが可能である。即ち、長波長側の強度がＧｄの組成比で連続的に変えられるなど窒化物半導体の青色系発光を白色系発光に変換するための理想条件を備えている。同様に、Ｌｕ、Ｌｃ、ＳｃやＳｍなどを加えて所望の特性を得るようにしても良い。
このような蛍光物質は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｌａ、Ａｌ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｌａの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
本発明の発光ダイオードにおいて、このような蛍光物質を２種類以上混合させてもよい。具体的には、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ及びＧｄ、ＬａやＳｍの含有量が異なる２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を混合させてＲＧＢの波長成分を増やすことなどができる。このような場合、異なる蛍光物質間の比重が異なっていても量産性よく発光特性の均一な発光ダイオードを形成することができる。
（発光素子１０３、２０３）
本発明に用いられる発光素子１０３とは、蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子である。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により加熱処理することで低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
本発明の発光ダイオードにおいて白色系を発光させる場合は、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して発光素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。発光素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。なお、４００ｎｍより短い紫外域の波長を利用できることは言うまでもない。
（マウント・リード１０４、２０４）
マウント・リード１０４としては、発光素子を配置させるものであり、ダイボンド機器などで積載するのに十分な大きさがあれば良い。また、発光素子を複数設置しマウント・リードを発光素子の共通電極として利用する場合においては、十分な電気伝導性とボンディングワイヤ等との接続性が求められる。また、マウント・リード上のカップ内に発光素子を配置すると共に蛍光体を内部に充填させる場合は、近接して配置させた別の発光ダイオードからの光により疑似点灯することを防止することができる。
発光素子とマウント・リードのカップとの接着はマウント部材１０６として熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂やイミド樹脂などが挙げられる。また、フリップチップ型の発光素子によりマウント・リードと接着させると共に電気的に接続させるためにはＡｇペースト、Ｃｕペースト、カーボンペースト、金属バンプや金属酸化物が含有された樹脂等を用いることができる。また、マウント・リードの具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、マウント・リード上に複数の発光素子を積載する場合は、発光素子からの発熱量が多くなるため熱伝導度がよいことが求められる。具体的には、０．０１ｃａｌ／ｃｍ2／ｃｍ／℃以上が好ましくより好ましくは ０．５ｃａｌ／ｃｍ2／ｃｍ／℃以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
（インナー・リード１０５、２０５）
インナー・リードとしては、マウント・リード上に配置された発光素子と導電性ワイヤなどを介して電気的に接続を図るものである。インナー・リードは、ボンディングワイヤ等との接続性及び電気伝導性が良いことが求められる。具体的な電気抵抗としては、３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは３μΩ・ｃｍ以下である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀をメッキしたアルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。
（ワイヤ１０７、２０７）
ワイヤ１０７としては、発光素子の電極とのオーミック性、密着性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ2／ｃｍ／℃以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／ｃｍ2／ｃｍ／℃以上である。また、作業性などを考慮してワイヤの直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このようなワイヤとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いたワイヤが挙げられる。このようなワイヤは、各発光素子の電極と、インナー・リード及びマウント・リードなどとをワイヤボンディング機器によって容易に接続させることができる。
（モールド部材２０８）
モールド部材２０８は、発光ダイオードの使用用途に応じて発光素子１０３、ワイヤ１０７、蛍光物質１０２などを外部から保護するために設けることができる。モールド部材は、一般には樹脂を用いて形成させることができる。また、蛍光体を含有させることによって視野角を増やすことができるが、樹脂モールドに拡散剤を含有させることによって発光素子からの指向性を緩和させ視野角をさらに増やすことができる。更にまた、モールド部材を所望の形状にすることによって発光素子からの発光を集束させたり拡散させたりするレンズ効果を持たせることができる。したがって、モールド部材は複数積層した構造でもよい。具体的には、凸レンズ形状、凹レンズ形状さらには、発光観測面から見て楕円形状やそれらを複数組み合わせた物である。モールド部材の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。また、拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。また、屈折率差を考慮してモールド部材と結着剤とを同じ材質のものを用いて形成させても良い。以下、本発明の具体的実施例について詳述するがこれのみに限定されないことは言うまでもない。
（参考例１）
ＬＥＤチップは、発光層として発光ピークが４５０ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ半導体を用いた。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇとを切り替えることによってｎ型やｐ型導電性の窒化物半導体を形成させる。発光素子としてはｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、ｐ型導電性を有する窒化アルミニウムガリウム半導体であるクラッド層、ｐ型導電性を有する窒化ガリウムであるコンタクト層を形成させた。ｎ型コンタクト層とｐ型クラッド層との間に厚さ約３ｎｍであり、単一量子井戸構造となるＩｎＧａＮの活性層を形成してある。（なお、サファイヤ基板上には低温で窒化ガリウムを形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上で熱処理させてある。）
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐｎ各コンタクト層表面を露出させる。各コンタクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電極をそれぞれ形成させた。なお、ｐ型窒化物半導体上の全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ半導体発光素子であるＬＥＤチップを形成させた。
一方、打ち抜き及びスタンピングによりタイバーで接続されマウント・リード先端にカップが形成された鉄入り銅製リードフレームを形成する。ＬＥＤチップはエポキシ樹脂を用いて銀メッキした鉄入り銅製リードフレームの先端カップ内にダイボンドした。ＬＥＤチップの各電極と、カップが設けられたマウント・リードやインナー・リードとをそれぞれ金線でワイヤボンディングし電気的導通を取った。
蛍光物質は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合して坩堝に詰め、空気中１４００°Ｃの温度で３時間焼成して焼成品を得た。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して形成させた。
形成された（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光物質２５重量部、ポリカーボネート樹脂１００重量部をよく混合して１個が十ｍｍ3程度のペレットとさせた。このペレットを図４に示す射出成型機のホッパ中に入れた。他方、リード端子と電気的に接続されたＬＥＤチップを金型中に入れ固定させる。ペレットを加熱可塑化させ攪拌させながらプランジャーにより射出温度２８０℃射出圧力８００ｋｇｆ／ｃｍ2で金型中に注入した。金型を冷却後、樹脂モールドされたリードを取り出しタイバーを切断することでＬＥＤチップ、マウント・リード及びインナー・リードの一部を蛍光物質が含有された熱可塑性樹脂で被覆して砲弾型に形成された発光ダイオードを得ることができる。こうした発光ダイオードを５００個形成させバラツキを測定した。得られた白色系が発光可能な発光ダイオードの色度点を測定しＣＩＥ座標上にプロットした。また、一個ずつの発光ダイオードにおいて外観上の発光むらがないことを確認した。なお、砲弾型発光ダイオードだけではなく、チップタイプＬＥＤやセグメントディスプレイなどにおいても利用することができることは言うまでもない。
（比較例）
（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光物質をエポキシ樹脂中に混合したものを用いて注型によりカップ内に配置させた後に、硬化形成した以外は参考例１と同様の発光ダイオードを形成させた。形成された発光ダイオードの５００個平均と参考例１の発光ダイオードとを比較して色温度の製造バラツキを調べた。比較例の発光ダイオードに較べ実施例の発光ダイオードは、色温度の製造バラツキが明らかに小さくなった。なお、比較例の発光ダイオードは、モールド部材の先端に蛍光物質が固まった状態であった。
（参考例２）
図２に示すようにＬＥＤチップ２０３周辺を上述と同様の蛍光物質２０２を含有した熱可塑性樹脂２０１で射出成形封止した後、注型成形にて透光性のエポキシ樹脂をモールド部材２０８として外側に形成した以外は参考例１と同様にして発光ダイオード２００を形成させた。これにより、上述の硬化に加え、射出成形時に封止樹脂表面に型のミスマッチやバリが発生しても、これをさらに注型で覆うことができる。そのため、封止樹脂のレンズ作用のバラツキや発光ダイオード実装時のバリ脱落によるはんだ付け不良等が防止される。また、比較的高価な高透光性かつ高耐熱性の熱可塑性樹脂の使用量を減らすことも可能である。
（実施例１）
図３に示すように表面実装型の発光ダイオード３００を形成させた。ＬＥＤチップ３０３は、発光層として発光ピークが４７５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ半導体を有する窒化物半導体素子を用いた。より具体的にはＬＥＤチップ３０３は、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇを切り替えることによってｎ型窒化物半導体やｐ型窒化物半導体となる層を形成させる。
ＬＥＤチップの素子構造としてはサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ型電極が形成されｎ型コンタクト層となるＧａＮ層、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、次に発光層を構成するバリア層となるＧａＮ層、井戸層を構成するＩｎＧａＮ層、バリア層となるＧａＮ層を１セットとしＧａＮ層に挟まれたＩｎＧａＮ層を５層積層させた多重量子井戸構造としてある。発光層上にはＭｇがドープされたｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ層、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層であるＧａＮ層を順次積層させた構成としてある。（なお、サファイヤ基板上には低温でＧａＮ層を形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐｎ各コンタクト層表面を露出させる。各コンタクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電極をそれぞれ形成させた。なお、ｐ型窒化物半導体上の全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ半導体発光素子であるＬＥＤチップを形成させた。
一方、打ち抜き及び射出成形により一対のリード電極３０４、３０５となる金属片が絶縁性樹脂３０９によって固定された基板を形成する。ＬＥＤチップ３０３はエポキシ樹脂３０６を用いて銀メッキした鉄入り銅製のリード電極上にダイボンドした。ＬＥＤチップの各電極と、各リード電極とをそれぞれ金線３０７でワイヤボンディングし電気的導通を取った。
蛍光物質３０２は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合して坩堝に詰め、空気中１４００°Ｃの温度で３時間焼成して焼成品を得た。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して形成させた。
形成された（Ｙ0.6Ｇｄ0.4）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光物質２５重量部、含窒素エポキシ樹脂であるトリグリシジルイソシアヌレート１００重量部と酸無水物及び硬化促進剤を６５℃で攪拌させ２４時間反応させ室温で冷却する。この反応によりある程度硬化させた固体となる。室温に冷却後、取り出した固体を粉砕しプレスして固体状のタブレットを形成させる。なお、蛍光物質を透光性樹脂中に含有させたタブレットを形成させるためには、上述のように原材料透光性樹脂中に含有させても良いし、均一性を保てる限りにおいて、ある程度硬化させた透光性樹脂粉体と蛍光物質とを混合攪拌させ固めたタブレットを利用することもできる。
次にポットを加熱後、上記で形成させたＬＥＤチップと導通を取った基板が配置された金型に軟化させたタブレットを射出させ１５０℃５分で一時硬化させた。次に、金型から射出成形させた発光ダイオードを取り出した後、１５０℃４時間で二次硬化させた。蛍光物質が含有された透光性樹脂３０１は、ＬＥＤチップが配置された基板上に突出した形状で形成させることができた。
形成させたチップタイプＬＥＤは上述と同様に形成された発光ダイオードのばらつきが極めて少ないと共に各発光ダイオードの色むらが極めて少ない白色ＬＥＤとすることができる。また、蛍光物質を含有させた樹脂を維持させるためにキャビティー構造となる側壁を形成させる必要もなく極めて小型な白色発光ダイオードを形成させることができる。さらに、ある程度硬化させたとはいえ熱硬化性樹脂を用いるため、射出成型時に比較的粘度が高い熱可塑性樹脂を用いた場合と比較してＬＥＤチップを電気的に接続させるワイヤなどの損傷を防ぎつつ形成させることができる。
図１は本発明の発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図２は本発明の他の発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図３は本発明の別の発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図４は本発明の製造に用いられる射出成型機の模式的断面図である。
符号の説明
１００、２００、３００・・・発光ダイオード
１０１、２０１、３０１・・・蛍光物質を含有する透光性樹脂
１０２、２０２、３０２・・・蛍光物質
１０３、２０３、３０３・・・発光素子
１０４、２０４・・・マウント・リード
１０５、２０５・・・インナー・リード
１０６、２０６、３０６・・・ＬＥＤを接着させるマウント部材
１０７、２０７、３０７・・・ワイヤ
２０８・・・モールド部材
３０４、３０５・・・リード電極
３０９・・・リード電極間を絶縁する樹脂
４００・・・射出成形機
４０１・・・ペレット
４０２・・・射出ピストン
４０３・・・スクリュー
４０４・・・電熱線
４０５・・・金型
４０６・・・発光素子がマウントされたマウントリード

Claims (4)

  1. 青色系を発光する発光素子と、該発光素子を載置する基板と、該発光素子からの青色系の光を吸収し蛍光を発する無機蛍光物質を含有する透光性樹脂と、を有し、前記発光素子からの光と前記無機蛍光物質からの蛍光により白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法であって、
    前記透光性樹脂の成形前に、エポキシ樹脂の原材料透光性樹脂中に該樹脂と比重が異なり青色光を吸収し蛍光を発する前記無機蛍光物質を含有させ固体にする工程と、
    前記固体を粉砕しプレスして固体状のタブレットを形成する工程と、
    前記基板に載置された前記青色系を発光する発光素子を金型に配置すると共に、前記タブレットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有してなることを特徴とする白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法。
  2. 青色系を発光する発光素子と、該発光素子を載置する基板と、該発光素子からの青色系の光を吸収し蛍光を発する無機蛍光物質を含有する透光性樹脂と、を有し、前記発光素子からの光と前記無機蛍光物質からの蛍光により白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法であって、
    前記透光性樹脂の成形前に、エポキシ樹脂からなる透光性樹脂粉体と、比重が異なり青色系の光を吸収し蛍光を発する前記無機蛍光物質と、を混合攪拌させ、固めてタブレットを形成する工程と、
    前記基板に載置された前記青色系を発光する発光素子を金型に配置すると共に、前記タブレットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有してなることを特徴とする白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法。
  3. 前記タブレットを軟化させて前記金型に注入し前記青色系を発光する発光素子の少なくとも一部を被覆し硬化したものに更に所定の温度を加えて二次硬化して前記透光性樹脂を成形する工程と、を有する請求項１又は請求項２に記載の白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法。
  4. 前記発光素子の発光層が少なくとも窒化物半導体からなると共に前記蛍光物質がセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体である請求項１乃至請求項３に記載の白色系の混色光を発光する発光ダイオードの形成方法。
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