JP2004096113A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　発光ダイオード及びその製造方法を提供する。
【解決手段】　光透過性の基板５１と、基板５１の上面に積層され光を放出する活性層５７を備える半導体物質層５３、５４と、基板５１の背面に相異なる厚さ分布に形成された蛍光層５９と、を含む発光ダイオード。これにより、蛍光層の厚さを調節して発光層から生成される光及びこの光が変化して生成される相異なる波長帯域の光の出射比率を調節して均一なプロファイルのホワイト光を発生できる。
【選択図】　図３

Description

　本発明は発光ダイオード及びその製造方法に係り、さらに詳細には所望の色を均一なプロファイルに発光できる発光ダイオード及びその製造方法に関する。

　図１は、従来のホワイト光を放出する発光ダイオードの断面図である。

　図１を参照すれば、リードフレーム１の内部にブルー発光ダイオード２が設けられており、ブルー発光ダイオード２の上面にはワイヤ３がオーム接触してリードフレーム１と連結されることによって電気を供給する。リードフレーム１の内部に蛍光体６を塗布してブルー発光ダイオード２から放出されたブルー光をレッドまたはグリーン光に変化させて蛍光体６をそのまま通過したブルー光と共にホワイト光を表現する。

　しかし、従来のブルー発光ダイオードは均一な色プロファイルでホワイト光を放出できず、ホワイト光でない他の波長帯域の光を生成して放出するか、またはイエローまたはブルー光の環状リングで取り囲まれたコーン状の光を放出する傾向があった。

　このような問題点を解決するために、従来色々な解決方法が提示された。例えば、図２に示された特許文献１の発光ダイオード素子にはコップ状のヘッダ１２の内部に発光ダイオード１１が設けられており、ヘッダ１２の内壁にミラー１３が設置されて発光ダイオード１１から放出される光を反射させる。ヘッダ１２の内部には発光ダイオード１１を取り囲むように蛍光物質１４が分散されている透明物質１５が充填されており、ヘッダ１２の上部にはガラス板１６が位置して蛍光物質１４に吸収されていない光が空気中に放出されることを防止する。発光ダイオード１１の上方にはＬＷＰ（Ｌｏｗ　Ｗａｖｅ　Ｐａｓｓ）フィルタ１７がさらに設けられて短波長の光を長波長の光に比べて高効率で通過させる。

　しかし、前記従来の発光ダイオードは各波長帯域の光を生成するために蛍光物質の量を調節し難く、各々の発光ダイオードごとに蛍光物質を含む透明物質を塗布しなければならないので、発光ダイオードから放出される色差が大きく、工程時間が長くなる短所がある。

　また、特許文献２ではグリーン光を発光する蛍光層を適切にドーピングしてレッド光及びブルー光を放出する有機／無機半導体発光ダイオードを開示しているが、蛍光層を適切なイオン濃度にドーピングし難くて均一な色プロファイルを具現し難い。
米国特許第５８１３７５３号公報 ヨーロッパ特許第０８５５７５１Ａ２号公報

　本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、蛍光層の厚さを調節して波長帯域が多様な光を放出する発光ダイオード及びこれを簡単な工程で製造できる発光ダイオードの製造方法を提供することである。

　前記課題を達成するために、本発明は光透過性の基板と、前記基板の上面に積層され、光を放出する活性層を備える半導体物質層と、前記基板の背面に相異なる厚さ分布に形成された蛍光層と、を備えることを特徴とする発光ダイオードを提供する。

　前記基板は、背面の一部がエッチングされて形成されるエッチングホールを一つ以上有することが望ましい。

　また、前記蛍光層は二重に蒸着されて相異なるパターンに形成されうる。

　前記基板は、サファイヤ基板であることが望ましい。

　前記半導体物質層は、前記基板の上面に積層される第１化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層の上面に積層される活性層と、前記活性層の上面に積層される第２化合物半導体層と、よりなる。

　ここで、前記第１化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であり、前記第２化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層であることが望ましく、
　前記活性層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層のことが望ましい。

　前記活性層はブルー光を放出し、前記蛍光層は前記ブルー光の一部をイエロー光に変化させてホワイト光を形成できるが、この場合に前記蛍光層はＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体を含む蛍光物質よりなる。

　または、前記活性層は紫外線を放出し、前記蛍光層は前記紫外線を吸収してレッド、グリーンまたはブルー光に変化させてホワイト光を形成できるが、この場合に前記蛍光物質はＹ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含む。

　前記課題を達成するために本発明は、光透過性の基板の上面に活性層を有する半導体物質層を積層してパターニングした後に電極を形成する第１段階と、前記基板の背面をエッチングして一つ以上のエッチングホールを形成する第２段階と、前記エッチングホールを充填するように基板の背面に蛍光物質を塗布して相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成することによって複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード構造体を製造する第３段階と、前記発光ダイオード構造体の連結部分を分離して複数の発光ダイオードを形成する第４段階と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法を提供する。

　前記第１段階において、前記半導体物質層は、前記基板の上面に第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層を順次に積層して形成する。

　ここで、前記第１化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成し、前記第２化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層で形成することが望ましい。

　前記活性層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成する。

　前記第１段階において、前記基板はサファイヤ基板で形成することが望ましい。

　前記第２段階は、前記基板の背面を処理する段階と、前記活性層に対応する背面領域を周辺部に比べて薄くドライエッチングする段階と、を含むが、前記基板の背面をグラインディング、ラッピングまたはポリシング方法を利用して処理し、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、Ａｒ、Ｏ₂及びＨＢｒのうち少なくとも一つのガスを含む気体でドライエッチングする。

　ここで、前記活性層をブルー光を放出する半導体化合物層に形成し、前記蛍光層を前記ブルー光の一部を吸収してイエロー光に変化させる蛍光物質で形成できるが、前記蛍光物質はＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体で形成することが望ましい。

　または、前記活性層を紫外線を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記紫外線の一部を吸収してレッド、グリーン及びブルー光に変化させる蛍光物質で形成できるが、前記蛍光物質はＹ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含むことが望ましい。

　前記第３段階は、前記蛍光物質は前記基板の背面にディスポージングまたはスピンコーティングすることが望ましい。

　前記課題を達成するために本発明はまた、光透過性の基板の上面に活性層を有する半導体物質層を積層してパターニングした後に電極を形成する第１段階と、前記基板の背面に蛍光物質を塗布して相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成することによって複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード構造体を製造する第２段階と、前記発光ダイオード構造体の連結部分を分離して複数の発光ダイオードを形成する第３段階と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法を提供する。

　前記第１段階において、前記半導体物質層は前記基板の上面に第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層を順次に積層して形成する。

　前記第１化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成し、前記第２化合物半導体層は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層で形成する。

　前記活性層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成する。

　前記第１段階において、前記基板はサファイヤ基板で形成することが望ましい。

　前記第２段階は、前記基板の背面に前記蛍光物質をディスポージングまたはスピンコーティングして第１蛍光層を形成する段階と、前記第１蛍光層の上部に所定形態のマスクを位置させ、蛍光物質を塗布して第２蛍光層を形成することによって全体的に相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成する段階と、を含むことが望ましい。

　ここで、前記活性層をブルー光を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記ブルー光の一部を吸収してイエロー光に変化させる蛍光物質で形成できるが、前記蛍光物質はＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体で形成することが望ましい。

　または、前記活性層を紫外線を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記紫外線の一部を吸収してレッド、グリーン及びブルー光に変化させる蛍光物質で形成できるが、この場合に前記蛍光物質はＹ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含むことが望ましい。

　本発明は基板の背面をエッチングするか、またはエッチングせずに背面上に蛍光層を相異なる厚さで塗布した発光ダイオードを提供し、活性層で生成されたブルー光が発光する比率及び蛍光層からブルー光を吸収してイエロー光に発光する比率を蛍光層の相異なる厚さ分布に調節して均一なプロファイルのホワイト光を出射できる。ここで、活性層でブルー光の代わりに紫外線を発光する場合、紫外線を発光する比率及び紫外線を吸収してレッド、グリーン及びブルー光に変化させる蛍光物質を含む蛍光層からレッド、グリーン及びブルー光が発光する比率を調節して均一なプロファイルのホワイト光を出射できる。

　本発明の発光ダイオードは、基板を相異なる厚さ分布にエッチングして基板上に蛍光物質を相異なる厚さ分布に塗布するか、あるいは同じ厚さを有する基板上に蛍光物質を相異なる厚さ分布に形成して、活性層で生成される光を蛍光層の厚さによって相異なる波長帯域の光が出射される比率を変化させて均一なプロファイルのホワイト光を生成できる。また、本発明の発光ダイオードの製造方法は基板の背面をエッチングするか、あるいはその上部に蛍光物質を全体的にディスポージングまたはスピンコーティングする簡単な工程を通じて発光ダイオードを量産できる。

　以下、本発明の実施例による発光ダイオード及びその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。

　図３は、本発明の実施例による発光ダイオードの構造を示す断面図である。図３を参照すれば、本発明の実施例による発光ダイオード５０は、基板５１と、基板５１の上面に順次に積層された第１化合物半導体層５３、活性層５７及び第２化合物半導体層５５を備える。第１化合物半導体層５３の段差が形成された部分にはｎ型電極５４が位置し、第２化合物半導体層５５の上面にはｐ型電極５２が位置して電子及び正孔を各々活性層５７に供給する。

　基板５１は、高抵抗で、光透過性の基板であり、このような基板としてサファイヤ基板が主に利用される。基板５１の背面は所定領域で基板５１の厚さが薄くエッチングされる。望ましくは基板５１の背面をエッチングしてエッチングホール５６ａを形成して基板５１に相異なる厚さ分布を有させる。すなわち、エッチングホール５６ａの周辺部５６ｂは基板５１が相対的に厚い分布を有する。基板５１の厚さ分布を相異ならしめることによって基板５１の背面にスピンコーティングされる蛍光層５９の厚さ分布が相異になる。

　第１化合物半導体層５３は、レージングできるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層であって、直接遷移型であることが望ましいが、導電性の不純物がドーピングされる場合、ＧａＮ層を使用することが望ましくて、導電性不純物がドーピングされていない場合、第２化合物半導体層５５と同じ物質を使用することが望ましい。第１化合物半導体層５３は、第１クラッド層（図示せず）がその上面にさらに積層でき、第１クラッド層としては所定の屈折率を有するｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層が望ましいが、レージングのための他の化合物半導体層でありうる。

　第２化合物半導体層５５は、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層であって、ｐ型導電性不純物がドーピングされた直接遷移型であることが望ましくて、そのうち特にｐ−ＧａＮ層が望ましい。導電性不純物がドーピングされていない場合、ＧａＮ層、ＡｌまたはＩｎを所定割合で含有したＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を使用できる。

　活性層５７は、第１化合物半導体層５３の上面に積層される。活性層５７は電子−正孔のキャリヤ再結合によってレージングが起こる物質層であって、多重量子ウェル構造を有するＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層であることが望ましく、そのうち特にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層であって、多重量子ウェル（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）構造であることがさらに望ましい。

　活性層５７の上下には第１導波路層及び第２導波路層（図示せず）がさらに積層されて活性層５７から放出される光を増幅させることによって増加した光強度を有する光に発振させうる。第１及び第２導波路層は、活性層５７より屈折率が小さな物質に形成するが、例えば、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層で形成することが望ましい。第１導波路層はｎ−ＧａＮ層で、第２導波路層はｐ−ＧａＮ層で形成する。活性層５７は、望ましくは臨界電流値が小さくて、横モードの特性が安定した光を発振できる物質層を使用する。活性層５７としてＡｌが所定比率含まれたＡｌＧａＮ層を使用することが望ましい。

　第２化合物半導体層５５は、活性層５７の上面に積層され、第２導波路層より屈折率が低い第２クラッド層（図示せず）が第２化合物半導体層５５及び活性層５７間にさらに形成されうる。第２クラッド層は、第１クラッド層がｎ型化合物半導体層であれば、ｐ型化合物半導体層で形成し、第１クラッド層がｐ型化合物半導体層であれば、ｎ型化合物半導体層で形成する。すなわち、第１クラッド層がｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層であれば、第２クラッド層はｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層で形成する。

　第１化合物半導体層５３の段差が形成された二つの部分にｎ型電極５４が対に配線され、第２化合物半導体層５５の上面にはｐ型電極５２が配線されて各々第１化合物半導体層５３には電子を注入し、第２化合物半導体層５５には正孔を注入する。注入された電子及び正孔は活性層５７で合って消滅しつつ短波長帯域の光を発振させる。波長帯域によって発光する光の色合いが変わるが、波長帯域は発光ダイオード５０を形成する物質による伝導帯及び価電子帯間のエネルギー幅によって決定される。

　ＩＩＩ−Ｖ窒化物は、青色、緑色及び紫外線領域の光を放出する半導体物質層として使われる。本発明はＩＩＩ−Ｖ窒化物のうち特にＧａＮ系半導体を使用して活性層５７からブルー波長帯域（４２０〜４７０ｎｍ）の光または紫外線を生成し、放出されたブルー光を基板５１の背面に塗布された蛍光層５９に通過させる。生成されたブルー光の一部は蛍光層５９に吸収されて吸収されたブルー光の波長とは異なる波長帯域、例えば、イエロー光に放出され、吸収されていない光は固有の波長帯に放出される。

　蛍光物質は、所望の光の波長帯域によって多様に使用できる。発光ダイオードがブルー波長帯域の光を生成する窒化物半導体で形成される場合、イエロー光に変化させる蛍光物質ではＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含み、Ｃｅに活性化されたガーネット系蛍光体を含む物質を使用する。発光波長を調節するためにＹ、Ａｌ、ガーネット系蛍光体において、Ｙの一部がＧａに置換され、置換量が相異なる第１蛍光体及び第２蛍光体を含みうる。

　波長が４２０〜４７０ｎｍ程度のブルー光を放出する活性層を備える発光ダイオードでは、レッド光（６１０〜６２５ｎｍ）に変化させる蛍光物質としてＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺、Ｂｉ³⁺、ＹＶＯ₄：Ｅｕ³⁺、Ｂｉ³⁺、ＳｒＳ：Ｅｕ²⁺、ＳｒＹ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺、ＣａＬａ₂Ｓ₄：Ｃｅ³⁺、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ²⁺を使用でき、グリーン光（５３０〜５５５ｎｍ）に変化させる蛍光物質としてＹＢＯ₃：Ｃｅ³⁺、Ｔｂ³⁺、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、Ｍｎ²⁺、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ）（Ａｌ、Ｇａ）₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺の物質を使用できるが、この以外にレッド光またはグリーン光を放出するいかなる蛍光物質も使用できる。

　発光ダイオードが紫外線を生成する窒化物半導体で形成される場合、前記蛍光物質はＹ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含ませて相異なる厚さ分布を有する基板の背面領域にエッチングできる。活性層５７から放出される紫外線は蛍光層５９を過ぎつつレッド、グリーン及びブルー光に変化し、発光ダイオードを出射する最終光はホワイト光となる。

　本発明では蛍光層５９が塗布される基板５１の背面を図３に示されたようにエッチングしてエッチングホール５６ａを形成するので、エッチングホール５６ａに充填される蛍光層５９は周辺部５６ｂに比べてさらに厚く塗布される。活性層５７から放出された光は厚い蛍光層５９を通過しつつ、蛍光物質にさらに多く吸収されうるので、周辺部５６ｂに比べて波長帯域が変換された光がさらに多く放出される。

　従来の発光ダイオードでは蛍光層を形成する物質を変化させることによって光の波長帯域を調節したが、本発明では蛍光層５７の厚さを適切に変化させて多様な波長帯域の光を発生できる。また、基板５１のエッチングホール５６ａの形態を変形させて光輝度を向上できる。すなわち、エッチングホール５６ａの傾斜面の角度及び面曲率を調節して基板５１を通過して蛍光層５９に入射する光の入射量を調節できる。

　図４は、本発明の第２実施例による発光ダイオードを示す断面図であって、エッチングホールの数を複数に増加させた場合を示す。

　図４を参照すれば、基板６１の背面はエッチングされて複数のエッチングホール６６ａが形成されており、基板６１のエッチングホール６６ａを充填できるように蛍光層６９を塗布すれば、示されたような発光ダイオードの構造が形成される。

　半導体物質層６５の活性層６７で生成されるブルー光または紫外線は、基板６２を通過して蛍光層６９に入射するが、エッチングホール６６ａ側に入射した光は周辺部６６ｂに入射した光より厚い蛍光層６９を通過するので、蛍光層６９に含まれた蛍光物質を励起させる確率が大きい。すなわち、エッチングホール６６ａに充填された蛍光層６９を通過して出射する光は元来の光、すなわちブルー光または紫外線が他の波長帯域の光、すなわちイエロー光またはレッド、グリーン、ブルー光に変化して出射する確率が大きい。周辺部６６ｂの上面に塗布された蛍光層６９を通過する光は元来の光、すなわちブルー光または紫外線に通過する確率が大きい。

　したがって、エッチングホール６６ａの数及び深さを適切に調節して蛍光層６９の厚さ分布を調節して半導体物質層６５の活性層６７で生成される元来の光を他の波長帯域の光に変化させて均質のホワイト光を生成できる。

　図４において、６２はｐ型電極、６４はｎ型電極であり、発光ダイオードを構成する各化合物半導体層の材料、性質及び機能は、本発明の第１実施例による発光ダイオードについての説明と同じである。

　図５は、本発明の第３実施例による発光ダイオードの構造を示す断面図である。

　図面を参照すれば、基板７１は同じ厚さ分布を有し、基板７１の背面に第１蛍光層７９ａが塗布され、第１蛍光層７９ａの一部領域に第２蛍光層７９ｂが形成されて、蛍光層は全体的に相異なる厚さ分布を有する。７２はｐ型電極、７４はｎ型電極、７５は半導体物質層である。

　図６は、本発明の第４実施例による発光ダイオードの構造を示す断面図である。

　図面を参照すれば、基板８１は同じ厚さ分布を有し、基板８１の背面に第１蛍光層８９ａが塗布され、第１蛍光層８９ａの一部領域に第２蛍光層８９ｂが複数のストライプ型に形成されて、蛍光層は全体的に相異なる厚さ分布を有する。７２はｐ型電極、７４はｎ型電極、７５は半導体物質層である。ここで、第２蛍光層８９ｂはドット状に形成されても良い。

　前記本発明の第３及び第４実施例において、発光ダイオードを構成する各半導体物質層の材質、性質及び機能についての説明は、本発明の第１実施例による発光ダイオードでの説明と同じであり、蛍光層７９ａ，７９ｂ，８９ａ，８９ｂの厚さ分布を相異ならしめることによってホワイト光を形成させる原理も類似している。本発明の第１及び第２実施例による発光ダイオードは、基板をエッチングすることによって蛍光層が相異なる厚さ分布を有するように形成したが、本発明の第３及び第４実施例による発光ダイオードでは蛍光層を第１蛍光層７９ａ，８９ａ及び第２蛍光層７９ｂ，８９ｂに形成して相異なる厚さ分布を有するように形成する。

　本発明の第３及び第４実施例による発光ダイオードで、半導体物質層７５，８５の活性層７７，８７で生成されたブルー光または紫外線は、基板７１の背面に形成された第１及び第２蛍光層７９ａ，７９ｂ，８９ａ，８９ｂを全て通過する場合には第１蛍光層７９ａ，８９ａだけを通過する場合より波長帯域が変化した光が生成される確率が高くてイエロー光またはレッド、グリーン、ブルー光に変化して出射される確率が大きい。第２蛍光層７９ｂ，８９ｂの厚さ及び数を適切に調節して均一なプロファイルを有するホワイト光を生成できる。

　本発明の第１ないし第４実施例による発光ダイオードで提示された形態は、一例示に過ぎず、エッチングホールの形態や数、蛍光層の厚さ及び形態は多様に形成されうる。

　図７Ａないし図７Ｄは、本発明の実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。

　まず、図７Ａに示されたように、基板５１の上面に順に第１化合物半導体層５３、活性層５７及び第２化合物半導体層５５を積層した後、示されたように第１化合物半導体層５３に段差が形成されるようにフォトリソグラフィ工程を実施してパターニングする。次いで、第１化合物半導体層５３の上面にｎ型電極５４をストライプ型に配線し、第２化合物半導体層５５の上面にｐ型電極５２を配線する。

　次いで、図７Ｂに示されたように、基板５１の背面にウェット工程を実施して蛍光層５７に対応するエッチングホール５６ａを形成する。基板５１をエッチングする前に、まず基板５１の背面をグラインディング、ラッピングまたは、ポリシングする。その後、基板５１上にマスク層を形成し、エッチングホール５６ａに対応するマスクパターンを形成する。このマスクパターンをエッチングマスクとして基板５１をＣｌ₂、ＢＣｌ₃、Ａｒ、Ｏ₂、ＨＢｒのうち少なくとも一つのガスを含む気体でエッチングすれば、示されたようなエッチングホール５６ａが形成される。

　図９Ａ及び図９Ｂは、サファイヤ基板をエッチングして形成されたエッチングホールを示す。図９Ａは、サファイヤ基板を広くエッチングして形成されたエッチングホール５６ｃを示し、図９Ｂはサファイヤ基板を狭くて深くエッチングして形成されたエッチングホール５６ｄを示す。エッチングホール５６ｃ，５６ｄは塗布される蛍光層の厚さを考慮して深さ及び幅を決定する。ここでは、基板のエッチングホール５６ｃ，５６ｄの後退された深さは約５０μｍ程度、幅は約２５０〜５００μｍ程度にエッチングする。

　また、図７Ｃを参照すれば、エッチングホール５６ａを形成した後、エッチングホール５６ａ及びその周辺部５６ｂ上に蛍光物質を全体的にディスポージング法またはスピンコーティング法を利用して示されたような蛍光層５９を形成することによって発光ダイオード構造体５８を製作する。本発明は、発光ダイオード基板５１の全体に一回の工程で蛍光層５９を均等に塗布できるので、工程が簡単である。

　図１０Ａ及び１０Ｂは、図９Ａ及び９Ｂに各々示されたエッチングホール５６ｃ，５６ｄが形成された基板の背面上に蛍光物質を塗布した発光ダイオードを有するＹＡＧ蛍光層５９ｃ，５９ｄの写真である。図面で、エッチングホール内にＹＡＧ蛍光層５９ｃ，５９ｄが白く示される。

　最後に、図７Ｄに示されたように、発光ダイオード構造体５８の連結部分を分けて複数の発光ダイオード５０を製造する。

　図８Ａないし８Ｅは、本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。

　まず、図８Ａに示されたように、基板７１の上面に順に第１化合物半導体層７３、活性層７７及び第２化合物半導体層７５を積層した後、示されたように第１化合物半導体層７３に段差が形成されるようにフォト工程を実施してパターニングする。次いで、第１化合物半導体層７３の上面にｎ型電極７４をストライプ型に配線し、第２化合物半導体層７５の上面にｐ型電極７２を配線する。

　次いで、図８Ｂに示されたように、基板７１の背面に第１蛍光層７９ａをディスポージングまたはスピンコーティングを利用して塗布し、図８Ｃに示されたようにその上部に所定形態のマスク７６を位置させた後、マスク７６の上部に第２蛍光層７９ｂを塗布し、図８Ｄに示されたように相異なる厚さ分布の蛍光層を有する発光ダイオード構造体７８が形成される。発光ダイオード構造体７８を図８Ｅに示されたように、分離させれば所望の発光ダイオードを製造できる。

　前述した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それは特許請求の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈しなければならない。本発明は説明された実施例によってではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらなければならない。

　本発明によって製造された発光ダイオードは産業用または医療用レーザ、レーザ部品、３Ｄ計測システム、２Ｄレーザースキャニングシステム、レーザーモニタリングシステム及び各種のレーザ応用システム、例えばマーキング、カッティング、ウェルディング、アブレーション、スクライビングシステムに装着されうる。

従来のホワイト光を放出する発光ダイオードの断面図である。 特許文献１に開示された発光ダイオードの断面図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 本発明の第３実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 本発明の第４実施例による発光ダイオードを示す断面図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施例による発光ダイオードの製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードのエッチングされた基板を示す写真である。 本発明の第１実施例による発光ダイオードのエッチングされた基板を示す写真である。 図９Ａに示された基板の背面に蛍光層を形成した写真である。 図９Ｂに示された基板の背面に蛍光層を形成した写真である。

符号の説明

５１　基板
５２　ｐ型電極
５３　第１化合物半導体層
５４　ｎ型電極
５５　第２化合物半導体層
５６ａ　エッチングホール
５６ｂ　周辺部
５７　活性層
５９　蛍光層

Claims (37)

1. 　光透過性の基板と、
   　前記基板の上面に積層され、光を放出する活性層を備える半導体物質層と、
   　前記基板の背面に相異なる厚さ分布に形成された蛍光層と、を備えることを特徴とする発光ダイオード。
2. 　前記基板は、背面の一部がエッチングされて形成されたエッチングホールを一つ以上有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 　前記蛍光層は、二重に蒸着されて相異なるパターンに形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 　前記基板は、サファイヤ基板であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の発光ダイオード。
5. 　前記半導体物質層は、
   　前記基板の上面に積層される第１化合物半導体層と、
   　前記第１化合物半導体層の上面に積層される活性層と、
   　前記活性層の上面に積層される第２化合物半導体層と、よりなることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の発光ダイオード。
6. 　前記第１化合物半導体層は、
   　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. 　前記第２化合物半導体層は、
   　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
8. 　前記活性層は、
   　Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
9. 　前記活性層は、ブルー光を放出し、前記蛍光層は前記ブルー光の一部をイエロー光に変化させてホワイト光を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
10. 　前記蛍光層は、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体を含む蛍光物質よりなることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
11. 　前記活性層は、紫外線を放出し、前記蛍光層は前記紫外線を吸収してレッド、グリーンまたはブルー光に変化させてホワイト光を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
12. 　前記蛍光物質は、Ｙ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
13. 　光透過性の基板の上面に活性層を有する半導体物質層を積層してパターニングした後に電極を形成する第１段階と、
    　前記基板の背面をエッチングして一つ以上のエッチングホールを形成する第２段階と、
    　前記エッチングホールを充填するように前記基板の背面に蛍光物質を塗布して相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成することによって複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード構造体を製造する第３段階と、
    　前記発光ダイオード構造体の連結部分を分離して複数の発光ダイオードを形成する第４段階と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
14. 　前記第１段階において、
    　前記半導体物質層は前記基板の上面に第１化合物半導体層、活性層、第２化合物半導体層を順次に積層して形成することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
15. 　前記第１化合物半導体層は、
    　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成することを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオードの製造方法。
16. 　前記第２化合物半導体層は、
    　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層で形成することを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオードの製造方法。
17. 　前記活性層は、
    　Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成することを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオードの製造方法。
18. 　前記第１段階において、
    　前記基板はサファイヤ基板で形成することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
19. 　前記第２段階は、
    　前記基板の背面を処理する段階と、
    　前記活性層に対応する背面領域を周辺部に比べて薄くドライエッチングする段階と、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
20. 　前記基板の背面をグラインディング、ラッピングまたはポリシング方法を利用して処理することを特徴とする請求項１９に記載の発光ダイオードの製造方法。
21. 　前記基板の背面をＣｌ₂、ＢＣｌ₃、Ａｒ、Ｏ₂及びＨＢｒのうち少なくとも一つのガスを含む気体でドライエッチングすることを特徴とする請求項１９に記載の発光ダイオードの製造方法。
22. 　前記活性層をブルー光を放出する半導体化合物層に形成し、前記蛍光層を前記ブルー光の一部を吸収してイエロー光に変化させる蛍光物質で形成することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
23. 　前記蛍光物質は、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体で形成することを特徴とする請求項２２に記載の発光ダイオードの製造方法。
24. 　前記活性層を紫外線を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記紫外線の一部を吸収してレッド、グリーン及びブルー光に変化させる蛍光物質で形成することを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
25. 　前記蛍光物質は、Ｙ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含むことを特徴とする請求項２４に記載の発光ダイオードの製造方法。
26. 　前記第３段階は、
    　前記蛍光物質を前記基板の背面にディスポージングまたはスピンコーティングすることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードの製造方法。
27. 　基板の上面に活性層を有する半導体物質層を積層してパターニングした後に電極を形成する第１段階と、
    　前記基板の背面に相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成することによって複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード構造体を製造する第２段階と、
    　前記発光ダイオード構造体の連結部分を分離して複数の発光ダイオードを形成する第３段階と、を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
28. 　前記第１段階において、
    　前記半導体物質層は前記基板の上面に第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層を順次に積層して形成することを特徴とする請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
29. 　前記第１化合物半導体層は、
    　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成することを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオードの製造方法。
30. 　前記第２化合物半導体層は、
    　ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｐ型物質層で形成することを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオードの製造方法。
31. 　前記活性層は、
    　Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１そしてｘ＋ｙ≦１）系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化化合物半導体層であって、ｎ型物質層またはドーピングされていない物質層で形成することを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオードの製造方法。
32. 　前記第１段階において、
    　前記基板はサファイヤ基板で形成することを特徴とする請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
33. 　前記第２段階は、
    　前記基板の背面に前記蛍光物質をディスポージングまたはスピンコーティングして第１蛍光層を形成する段階と、
    　前記第１蛍光層の上部に所定形態のマスクを位置させ、蛍光物質を塗布して第２蛍光層を形成することによって全体的に相異なる厚さ分布を有する蛍光層を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
34. 　前記活性層をブルー光を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記ブルー光の一部を吸収してイエロー光に変化させる蛍光物質で形成することを特徴とする請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
35. 　前記蛍光物質は、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうち一つ以上の元素及びＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つ以上の元素を含むＣｅに活性化されたガーネット系蛍光体で形成することを特徴とする請求項３４に記載の発光ダイオードの製造方法。
36. 　前記活性層を紫外線を放出する半導体化合物層で形成し、前記蛍光層を前記紫外線の一部を吸収してレッド、グリーン及びブルー光に変化させる蛍光物質で形成することを特徴とする請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
37. 　前記蛍光物質は、Ｙ₂Ｏ₃Ｅｕ³⁺Ｂｉ³⁺、Ｙ₂Ｏ₂Ｓを含むレッド蛍光体、（Ｂａ_1-x-y-zＣａ_xＳｒ_yＥｕ_z）（Ｍｇ_1-wＺｎ_w）Ｓｉ₂Ｏ₇、ＺｎＳ：Ｃｕを含むグリーン蛍光体、ＳＥＣＡ（（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ²⁺）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）を含むブルー蛍光体を含むことを特徴とする請求項３６に記載の発光ダイオードの製造方法。