JP6900571B2

JP6900571B2 - 発光装置を製造する方法

Info

Publication number: JP6900571B2
Application number: JP2020505393A
Authority: JP
Inventors: ティー．シミズ，ケン; マスイ，ヒサシ; ビー．ロイトマン，ダニエル
Original assignee: ルミレッズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: KR20200037341A; KR102378919B1; EP3662517A1; TWI798244B; CN111164769B; EP3662517B1; JP2020530200A; TW201921726A; CN111164769A; WO2019027952A1

Description

本願は、2017年8月3日に出願された米国特許出願第15／668,173号、および2018年1月19日に出願された欧州特許出願第18152555.1号の利益を主張するものであり、これらは本願の参照として取り入れられる。

本開示は、原子層成堆積法（ALD）を用い、発光ダイオード（LED）に光変換板を取り付ける、発光装置を製造する方法に関する。

通常、発光装置の製造において、粉末または液体サスペンションにおける活性光エミッタの上に、LED蛍光体が成膜される。蛍光体の均一性を改善するため、およびウェハ、チップスケール、またはフリップチップの製造を簡略化するため、光透過性セラミックに分散された蛍光体も、開発されている。そのようなセラミックは、制御された量の蛍光体粉末を有する板（またはプレートレット）として形成することができ、蛍光体粉末は、型に設置され、加圧下で加熱され、グレイン同士が焼結される。プレートレットは、取り付けに適するように、全ての表面を極めて平滑にすることができる。

セラミックプレートレットの一例は、ルミラミック（Lumiramic：商標）である。ルミラミックは、Ce（III）ドープイットリウムガドリニウムアルミニウムガーネット（Y，GdAG：Ce）の多結晶セラミック板から形成された、蛍光体プレートレットである。ルミラミックの技術的特性は、「ルミラミック：高特性半導体光源のための新しい蛍光体技術（Bechtel，Helmut，Peter Schmidt，Wolfgang Busselt，およびBaby S．Schreinemacher，“ルミラミック：高特性半導体光源用の新しい蛍光体技術”第8回半導体照明国際会議（2008）：n．pag．オンライン）」に記載されている。これは、参照により本願に取り入れられる。

ある用途では、ルミラミック板は、青色LEDと組み合わせて、色温度に相関する5000Kの範囲の白色光を生成することができる。ある自動車用途では、ルミラミックプレートレットは、シリコーンポリマー接着のりを用いて青色LEDにのり付けされ、この接着のりにより、蛍光体層からLEDおよびヒートシンクへの熱伝導が可能となり、青色光のルミラミック板への光結合が提供され、白色光が形成される。他の用途では、表面活性結合技術を用いて、発光素子がルミラミック板に結合され、これは、発光素子の結合表面におけるイオンビームまたはプラズマを用いたスパッタエッチング法によるものである。

接着剤を必要としない結合技術は、原子層堆積法（ALD）である。原子層堆積法（ALD）は、別の前駆体ガスに表面を暴露することにより膜が基板上に成長する、薄膜成膜プロセスである。ALDを実施する方法は、知られており、例えば、「前駆体から薄膜構造への原子層堆積（ALD）」（Leskeia，Markku，およびMikko Ritala、原子層堆積（ALD））前駆体からの薄膜構造「Thin Solid Films，409.1（2002）：138-46，印刷」に記載されている。これは、参照により本願に取り入れられる。

発光装置を製造する方法は、高められた信頼性および効率を有する。特に、開示の方法は、原子層堆積法を使用し、セラミック板とLEDの間の熱伝導性を改善し、有機コンタミネーションの量が低下し、発光装置の光出力の効率が向上する。

有機コンタミネーションの低下および効率の上昇は、薄膜側面コーティングLED構造において、特に有益である。例えば、本願の参照として取り入れられている、Masuiらの国際公開WO2017／023502A1号には、薄膜側面コーティングLED構造に基づくLEDの例が記載されている。これは、本開示の発光装置の製造方法の恩恵を受ける。

添付図面とともに一例として提供された以下の記載により、より詳細が理解される。図面において、同様の参照符号は、同様の素子を表す。

従来の方法を用いて製造された発光装置を示した図である。本発明の実施例のプロセスフローマップを示した図である。本発明の実施例により構築されたプロセスにおける発光装置を示した図である。本発明の実施例により構築されたプロセスにおける発光装置を示した図である。本発明の実施例により構築されたプロセスにおける発光装置を示した図である。接着剤の配置およびパターンの一例を示した図である。接着剤の配置およびパターンの一例を示した図である。接着剤の配置およびパターンの一例を示した図である。接着剤の配置およびパターンの一例を示した図である。本発明の第2の実施例のプロセスフローマップを示した図である。本発明の第2の実施例により構築されたプロセスにおける発光装置を示した図である。本発明の第2の実施例により構築されたプロセスにおける発光装置を示した図である。

以下、添付図面を参照して、異なる発光ダイオード（「LED」）の実施例についてより詳しく説明する。これらの例は、相互に排他的ではなく、ある例に認められる特徴は、1又は2以上の他の例に認められる特徴と組み合わされ、追加の実施例が得られてもよい。従って、図面に示された例は、一例を示す目的のみに提供され、これらは、いかなる場合にも、開示内容に限定されることを意図するものではないことが理解される。図面全体を通して、同様の参照符号は、同様の素子を表す。

本願において、各種素子を記載するため第1、第2などの用語が使用されるが、これらの素子は、これらの用語によって限定されるものではないことが理解される。これらの用語は、単に一つの素子を別の素子から区別するために使用される。本発明の範囲から逸脱しないで、例えば、第1の素子は第2の素子と称され、同様に、第2の素子は第1の素子と称され得る。本願に使用される「および／または」と言う用語は、関連する示された事項の1または2以上のあらゆる組み合わせを含む。

層、領域、または基板のような素子が、別の素子の「上」にあり、または「上部」に延在すると称される場合、これは、他の素子の直上または直上に延在してもよく、あるいは介在素子が存在してもよいことが理解される。これに対して、素子が別の素子の「直上」または「直上に」延在すると称される場合、介在素子は存在しない。また、素子が別の素子と「接続」または「結合」されると称される場合、これは、他の素子と直接接続または結合されてもよく、あるいは介在素子が存在してもよいことが理解される。一方、素子が別の素子と「直接接続」または「直接結合」されると称される場合、介在素子は存在しない。これらの用語は、図面に描かれた任意の方向に加えて、素子の異なる配向も網羅するように意図されることが理解される。

本願において、「下」または「上」、「上部」または「下部」、「水平」または「垂直」のような相対的な用語は、図に示されるように、一つの素子、層、または領域と別の素子、層または領域に対する関係を表すために使用され得る。これらの用語が、図に描かれた配向に加えて、装置の異なる配向を網羅するように意図されることが理解される。

図1には、板110と発光ダイオード120の間に結合されたポリマー接着のり層115を用いて構成された、発光装置100を示す。ポリマー接着のり層115は、ポリマー接着のり層（ポリジメチルシロキサン系のシリコーンなど）を、板110または発光ダイオード120のいずれかに設置した後、板110および発光ダイオード120を相互に押し付けることにより形成される。板110と発光ダイオード120の間のポリマー接着のり層の押し付けにより、しばしば、ポリマー接着のりが板110または発光ダイオード120の側壁からはみ出すことがある。はみ出たポリマーは、発光装置100の光効率に悪影響を及ぼす。悪影響は、特に、誘電体ブロードバンドミラー（DBM）が利用される、薄膜側面コーティングLED構造において顕著になる。

また、板110と発光ダイオード120の間のポリマー接着のり層の含有は、発光装置100の特性および信頼性を低下させる。例えば、ポリマー接着のり層115の形成に使用されるポリマー接着のりは、ポリマー接着のりが発光装置100における有機コンタミネーションに寄与し、またはこれに敏感であるため、光-熱劣化する傾向にある。また、ポリマー接着のりは、低熱伝導体であり、通常、約0.2W／mKの熱伝導度を有する。従って、ポリマー接着のり層115は、発光ダイオード120で生じた熱を板110に効率的に輸送することが難しい。さらに、ポリマー接着のりは、板110の屈折率（RI1.8）および発光ダイオード120（RIは1.8〜2.5で、LEDダイ構造に依存する）に比べて低い屈折率（RI）を有する（約1.42〜1.54）。ポリマー接着のり層115の低屈折率は、発光ダイオード120から板110に輸送される光が少なくなる結果となり、低効率の発光装置100になる。

図2には、発光装置300を構成するための本発明の実施例のプロセスフロー図を示す（図3A乃至3C）。ステップ210では、板110または発光ダイオード120に少量の接着剤315が設置される。少量の接着剤315は、板110または発光ダイオード120の表面積よりも小さな領域を有する。ステップ220では、板110と発光ダイオード120が、少量の接着剤315を用いて取り付けられる。いったん取り付けられると、板110および発光ダイオード120は、約1μmの距離で離間される。板100および発光ダイオード120が取り付けられると、板110と発光ダイオード120の間の接着剤315が設置されていない領域に、隙間325が形成される。次に、ステップ230では、透明材料335のALDが実施され、隙間325が充填される。また、ある実施例では、ステップ240において、発光ダイオード120の側壁に、透明材料のALDが実施されてもよい。

図3Aは、ステップ220の終了後の発光装置300の描写である。図3Aには、少量の接着剤315により、発光ダイオード120に接続された板100が示されている。少量の接着剤315による板110の発光ダイオード120への接続の結果、隙間325が形成される。ある実施例では、接着剤315は、シリコーンまたはゾルゲル接着のりであってもよい。別の実施例では、接着剤315は、低融点のガラスまたは透明接着剤であってもよい。

図3Bには、ステップ230が完了後の発光装置300が示されている。図3Bには、隙間325を埋めるため、ALDにより設置された透明材料335が示されている。隙間325を充填するためにALDを用いることにより、板110または発光ダイオード120における平坦性、凹凸性、またはわずかの曲率が相殺される。ある実施例では、透明材料335は、アルミナ（Al₂O₃）、ニオブ酸化物（Nb₂O₅）、ジルコニア（ZrO₂）、または他の高屈折率誘電体であってもよい。

多くの実施例では、透明材料335の屈折率は、発光ダイオード120の屈折率とマッチングするように選定される。LEDからの光は、通常、高屈折率媒体から低屈折率媒体に入る全内部反射により捕捉されるため、発光ダイオード120にマッチングする屈折率を有する透明材料335の選定は、望ましい。LED構造では、常時光吸収の有限の可能性があるため、この光捕捉の結果、光出力効率が低下する。屈折率のマッチングにより、この損失機構が軽減され、あるいは排除される。

また、ALDコーティング誘電体は、シリコーンポリマーに比べて高い熱伝導度（〜3W／mK）を有してもよい。ALDコーティング誘電体の熱特性は、「低温ALDにより成長したアモルファスAl₂O₃薄膜の高温熱伝導性」（Cappella，Andrea，Jean-Luc Battaglia，Vincent Schick，Andrzej Kusiak，Alessio Lamperti，Claudia Wiemer，およびBruno Hay，“低温ALDにより成長したアモルファスAl₂O₃薄膜の高温熱伝導性”，Advanced Engineering Materials，15.11（2013）：1046-050，印刷）に記載されている。これは、本願に参照により取り入れられる。熱は、ルミラミック層において生じ、熱の逸散の最も効率的な経路は、ダイオード装置への結合層を介して生じるため、高い熱伝導性のALDコーティング誘電体を使用することは望ましい。全ての蛍光体材料は、高温および高フラックス強度で、熱クエンチ（thermal quenching）または効率のロスを示す。従って、ルミラミックまたは蛍光体層の温度の低下の結果、白色LEDに改善された光出力が得られる。

図3Cには、ステップ240の完了後の発光装置300を示す。ある実施例では、ステップ240は、省略されてもよく、あるいはステップ230と同時に実施されてもよい。図3Cには、発光ダイオード120の側壁に成膜された透明材料335を示す。側壁を反射表面で覆うことは、光源の色均一性を最大限に高め、順方向における光の誘導を助長する点で重要である。通常、フラッシュLEDまたは自動車用ヘッドライトLEDのような用途において、高輝度のLEDには、この色均一性および方向性が要求される。

図4A、4B、4Cおよび4Dには、接着剤315が板110または発光ダイオード120に設置される際の、異なるパターンおよび配置を示す。接着剤315が設置される特定のパターンおよび配置は、ALDプロセスによって、隙間325が完全に充填されない可能性を最小限に抑制するために選定されてもよい。ALDは内部領域には生じないため、分離された内部領域を有する閉止パターン（ドーナツ状の「穴」など）は、好ましくない。

図5には、本発明の別の実施例のプロセスマップを示す。この実施例では、板110は、機械式ホルダにより固定され（ステップ510）、発光ダイオード120は、機械式ホルダにより固定される（ステップ520）。次に、板110および発光ダイオード120が配置され、隙間625が形成される（図6Aおよび6Bに示されている）。隙間625は、約1μmの厚さを有する（ステップ530）。次に、ステップ540において、透明材料335のALDが実施され、隙間625が充填される。

図6Aには、ステップ530の完了後の発光装置600を示す。図6Bには、ステップ540において、透明材料335のALDが実施され、隙間625が充填された後の発光装置600を示す。

ある実施例では、板110は、ルミラミックまたはガラスもしくはシリコーンマトリクスに形成された蛍光体充填プレートレットのような、セラミック蛍光体板であってもよい。

ある実施例では、発光ダイオード120は、垂直薄膜、薄膜フリップチップ、またはCSPフリップチップ系LEDであってもよい。

以上、特定の組み合わせにおける特徴および素子について説明したが、各特徴および素子が、単独で、または他の特徴および素子との組み合わせで使用され得ることは、当業者には明らかである。また、本願に記載の方法は、コンピュータまたはプロセッサによる実行のため、コンピュータ可読媒体に組み込まれたコンピュータプログラム、ソフトウェア、またはファームウェアにおいて実施されてもよい。コンピュータ可読媒体の一例は、（有線または無線接続により伝送される）電子信号、およびコンピュータ可読ストレージ媒体を含む。コンピュータ可読ストレージ媒体の一例は、これに限られるものではないが、読み取り専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、レジスタ、キャッシュメモリ、半導体メモリ装置、内部ハードディスクおよびリムーバルディスクのような磁気媒体、光磁気媒体、ならびにCD-ROMディスクおよびデジタル多用途ディスク（DVD）のような光学媒体を含む。

Claims

発光装置であって、
光入力表面、および反対側に配置された光出力表面を有するセラミック蛍光体板と、
前記セラミック蛍光体板の光入力表面に平行に配向され、該光入力表面に隣接する光出力表面を有する発光ダイオードと、
前記セラミック蛍光体板の光入力表面を、前記発光ダイオードの光出力表面に直接結合する層であって、該層は、接着剤と、該接着剤が設置されていない領域に生じる隙間を埋めるように配置された透明材料とを有する、層と、
を有し、
前記接着剤は、前記セラミック蛍光体板の前記入力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記セラミック蛍光体板の前記光入力表面の一部に結合され、
前記接着剤は、前記発光ダイオードの光出力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記発光ダイオードの光出力表面の一部に結合され、
前記透明材料は、前記接着剤により結合されていない、前記セラミック蛍光体板の光入力表面と、前記発光ダイオードの光出力表面との少なくとも一部を結合する、発光装置。
さらに、前記発光ダイオードの側壁に前記透明材料を有する、請求項1に記載の発光装置。
前記接着剤は、シリコーンまたはゾルゲル接着のりである、請求項1に記載の発光装置。
前記接着剤は、有機ポリマー材料を有する、請求項1に記載の発光装置。
前記透明材料は、前記発光ダイオードと同じ屈折率を有する、請求項1に記載の発光装置。
前記透明材料は、アルミナまたはAl₂O₃である、請求項1に記載の発光装置。
前記接着剤は、前記セラミック蛍光体板の前記光入力表面の複数の別個の領域に配置される、請求項1に記載の発光装置。
前記層は、約1μmの前記発光ダイオードの光出力表面および前記セラミック蛍光体板の光入力表面に垂直な厚さを有する、請求項1に記載の発光装置。
前記セラミック板の前記一部は、実質的に線状または十字の形状の断面領域を有する、請求項1に記載の発光装置。
前記透明材料は、約3Ｗ／mK以上の熱伝導度を有する、請求項1に記載の発光装置。
発光装置を製造する方法であって、
セラミック蛍光体板の光入力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記セラミック蛍光体板の光入力表面の一部に、接着剤を設置するステップ、または発光ダイオードの光出力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記発光ダイオードの光出力表面の一部に、接着剤を設置するステップと、
前記発光ダイオードの光出力表面と前記セラミック蛍光体板の光入力表面との間に隙間が残るように、前記接着剤を用いて、前記セラミック蛍光体板を前記発光ダイオードに固定するステップと、
原子層堆積法により、前記隙間に透明材料を成膜するステップと、
を有する、方法。
セラミック蛍光体板の光入力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記セラミック蛍光体板の光入力表面の一部に、接着剤を設置するステップを有する、請求項11に記載の方法。
発光ダイオードの光出力表面の全表面積よりも小さな表面積を有する、前記発光ダイオードの光出力表面の一部に、接着剤を設置するステップを有する、請求項11に記載の方法。
さらに、
原子層堆積法により、前記発光ダイオードの側壁に前記透明材料をコーティングするステップ、
を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記接着剤は、シリコーンまたはゾルゲル接着のりである、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記透明材料は、約3W／mK以上の熱伝導度を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記透明材料は、前記発光ダイオードと同じ屈折率を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記透明材料は、アルミナまたはAl₂O₃である、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記接着剤は、前記セラミック蛍光体板の光入力表面の複数の別個の領域に配置される、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記セラミック板または前記発光ダイオードの前記一部は、実質的に十字の形状の断面領域を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記セラミック板または前記発光ダイオードの前記一部は、実質的に線状の断面領域を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。
前記隙間は、約１μmの、前記セラミック蛍光体板と前記発光ダイオードの間の幅を有する、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の方法。