JP2012191144A - Led素子、その製造方法、及びled素子の色調補正方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ベース基板110に配置されたLEDチップ120は、透光性を有する樹脂層150によって封止される。プリント制御システムにより、半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体溶液が樹脂層150に噴射される。ナノ蛍光体溶液が硬化されて、ナノ蛍光体層160が積層される。半導体量子ドットは、LEDチップ120から放射され、ナノ蛍光体層160に入射した光子の少なくとも一部を吸収し、その入射した光子とは波長が異なる光子を放出する。
【選択図】図4
Description
図1から図4に示されるように、ベース基板110には、LEDチップ120が配置されている。LEDチップ120からは、ワイヤー130がベース基板110に向けて延出されている。LEDチップ120の周囲を隔壁140が円形に囲っており、ベース基板110と隔壁140とによって凹条の窪みである凹部141が形成されている。凹部141の内側では、透光性を有する樹脂が硬化されて樹脂層150が形成されている。樹脂層150によって封止されている。樹脂層150には、半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体層160が積層されている。
図1から図4に示されるベース基板110(本発明のベース部材に相当)は、ガラスエポキシ樹脂等で形成された略平板状の部材である。ベース基板110上には、導電性の金属によって回路パターンが形成されている。回路パターンは、電気的に分割された第1リード111と、第2リード112とによって形成されている。第1リード111及び第2リード112は、ベース基板110の側縁を経緯して、ベース基板110の上面(図1のLEDチップ120が配置された面)から下面(上面と対向する面)に延出されている。第1リード111は、ベース基板110の上面において、LEDチップ120が配置される配置領域113を形成している。配置領域113は、後述されるLEDチップ120のN型半導体層122と接触し、N型半導体層122と電気的に接続される。第2リード112は、ワイヤー130によって、後述されるLEDチップ120のP型半導体層121と電気的に接続される。図2に示されるように、第1リード111及び第2リード112は、ベース基板110の下面において、LED素子100に電圧を印加するための接点114をそれぞれ形成している。なお、第1リード111、第2リード112、及びワイヤー130が本発明のリードを構成するものである。また、P型半導体層121及びN型半導体層122が、本発明の半導体層を構成するものである。
図4に示されるように、LEDチップ120は、P型半導体で形成されたP型半導体層121と、N型半導体で形成されたN型半導体層122とが接合(PN接合)されたものである。接合部123付近では電子と正孔と(多数キャリア)が互いに拡散して結びつくことで、多数キャリアの少ない空乏層が形成されている。P型半導体層121とN型半導体層122との間に順方向の電圧(P型半導体層121に正電圧)が印加されると、空乏層の拡散電位が減少して電流が流れる。P型半導体層121及びN型半導体層122から注入された多数キャリアは、接合部123付近で再結合する。多数キャリアが禁制帯を超えて再結合することで、再結合エネルギーが光子として放出される。即ち、LEDチップ120は光を放射する。
図1から図4に示されるに示される隔壁140は、ベース基板110の上面に遮光性の樹脂等で形成されている。隔壁140は、LEDチップ120の周囲を円形に囲うように形成されている。ベース基板110と隔壁140とによって凹条の窪みが形成されており、その窪みの中にLEDチップ120が配置された状態になっている。ベース基板110と隔壁140とによって形成される窪みが、凹部141と称される。隔壁140は、LEDチップ120が放射した光が進行する方向を規定するものである。隔壁140の高さ及び内周面の傾斜角度等は、光が放射されるべき方向に基づいて、適宜決定される。また、光が拡散して放射されることが求められる場合には、隔壁140は必ずしも必須の構成要素ではない。
図1、3、及び4に示される樹脂層150(本発明の第1層に相当)は、凹部141に流し込まれて硬化された透光性を有する樹脂である。LEDチップ120は、樹脂層150によって封止されている。LED素子100が隔壁140を備えない構成では、樹脂がベース基板上に直接滴下されて、LEDチップ120を封止してもよい。LEDチップ120が放射した光は、樹脂層150を透過して、後述されるナノ蛍光体層160(本発明の第2層に相当)に入射する。
図4に示されるナノ蛍光体層160は、半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体溶液が、樹脂層150の上面に塗布又は吹き付けられて硬化したものである。なお、説明の便宜上、図4のナノ蛍光体層160は、実際のものよりも厚みがあるように示されている。実際には、ナノ蛍光体層160は、厚さ数μmの薄膜である。ナノ蛍光体溶液は、透光性を有する硬化性の媒体に半導体量子ドットが含有されたものである。媒体には、例えば感光性樹脂が使用される。半導体量子ドットは、最大粒子径が50nm以下の微粒子であり、特定の波長の光子を吸収して、異なる波長の光子を放出するものである。半導体量子ドットには、離散的なエネルギー準位をとる電子が閉じこめられている。電子のエネルギー準位が変化することで、半導体量子ドットは光子を吸収・放出する。また、半導体量子ドットの結晶の大きさにより、半導体量子ドットが吸収・放出する光子のエネルギーは変化する(量子サイズ効果)。
LED素子100の製造方法が以下に説明される。図5の製造フロー400において、LED素子100の製造のための各工程がアルファベットのA、B、C、D、及びEで示される。LED素子100の製造方法は、ウエハーの検査工程(A)、LED素子100の組立工程(B)、ナノ蛍光体層160の積層工程(C)、LED素子100の検査工程(D)、及びLED素子100の調整工程(E)を含むものである。製造フロー400の矢印の方向は、各工程の前後関係を示したものである。例えば、ウエハーの検査工程(A)の後に、LED素子100の組立工程(B)が行われる。また、図中の各アルファベットの上方には、その工程で使用される機材や装置の概略図が示されている。例えば、ナノ蛍光体層160の積層工程(C)及びLED素子100の調整工程(E)では、プリント制御システム320が使用される。また、データ転送方向510、520は、通信ケーブル313、332を介して、データが転送される方向を示したものである。各工程の詳細が図5を参照しながら、以下に説明される。
LED素子100に使用されるLEDチップ120は、ウエハー200上に複数形成されたものが、それぞれ分離されて使用される。LEDチップ120が形成されたウエハー200は、上述された半導体材料により、基板上に半導体の層を成長させることで製造される。半導体の層の成長には、当業者にとって公知な方法が使用される。例えば、半導体材料として窒化物が使用される場合は、特開2008−288572号公報に開示されている方法が使用可能である。ウエハー200の製造は、本発明の必須の構成要素ではなく、ウエハー200には市販のものが使用されてもよい。
続けて、LED素子100の組立工程(B)が説明される。製造フロー400には、Bに対応する装置が示されていないが、本工程では一般的なLED素子の製造に使用される装置が用いられる。ベース基板110には、上述された第1リード111及び第2リード112が形成されている。ベース基板110の配置領域113には、熱せられたAg(銀)のペーストが塗布される。ペーストの上にLEDチップ120が配置される。その際、LEDチップ120は、N型半導体層122側の面がペーストに接触する向きに配置される。ペーストが硬化して、LEDチップ120がベース基板110に固定される。LEDチップ120の上面のP型半導体層121には、Au(金)で形成されたワイヤー130が接続される。ワイヤー130の他端は、第2リード112に接続される。ワイヤー130の接続には、同様にペーストが使用される。こうして、P型半導体層121及びN型半導体層122は、それぞれ第1リード111及び第2リード112と電気的に接続される。なお、LED素子100の組立工程(B)のここまでが、本発明の第1ステップに相当するものである。
樹脂層150の上面には、ナノ蛍光体層160が積層される。ナノ蛍光体層160は、ナノ蛍光体溶液が硬化される事で形成される。ナノ蛍光体溶液は、例えば半導体量子ドットを含んだ感光性樹脂である。ナノ蛍光体溶液の製造については後述される。異なる種類の半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体溶液は、それぞれ異なるタンク322に充填されている。例えば、LEDチップ120として、青色LEDチップが使用される場合、蛍光波長が520nm(緑色)の半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体溶液、及び蛍光波長が660nm(赤色)の半導体量子ドットを含んだナノ蛍光体溶液が、それぞれ異なるタンク322に充填される。それぞれのタンク322は、プリントヘッド321にナノ蛍光体溶液を注送可能に繋がっている。プリントヘッド321は、ナノ蛍光体溶液を霧状にして任意の分量ずつ噴射することができる。プリントヘッド321には、一般的なインクジェットプリンタと同様の構成が使用可能である。例えば、プリントヘッド321は、異なるタンク322に接続された複数のノズル(不図示)を有する。それぞれのノズルは、同時に又は順番にナノ蛍光体溶液を霧状にして樹脂層150に向けて噴射する。ナノ蛍光体溶液が噴射される方向は、例えば偏向電極(不図示)によって制御される。ナノ蛍光体溶液の噴射には、コンティニュアス型、オンデマンド型、ピエゾ方式、又はサーマル方式等の公知の方法が使用可能である。噴射されたナノ蛍光体溶液は、樹脂層150の上面に吹き付けられて硬化することで、ナノ蛍光体層160を形成する。例えば、プリントヘッド321が、ナノ蛍光体溶液を1:1の分量比で噴射した場合、蛍光波長が、520nm(緑色)及び660nm(赤色)の半導体量子ドットをほぼ同量ずつ含んだナノ蛍光体層160が積層される。また、LEDチップ120が紫外線を放射するものである場合、蛍光波長が、450nm(青色)、520nm(緑色)、及び660nm(赤色)の半導体量子ドットをそれぞれ含んだ3種類のナノ蛍光体溶液が使用されてもよい。
LED素子100の検査工程(D)において、ナノ蛍光体層160が積層された全てのLED素子100は、検査システム330によって検査される。検査システム330は、LED素子100の接点114を通じてLEDチップ120に電圧を印可し、LED素子100を発光させる。LED素子100が放射した光は、光学センサー331によって検知される(本発明の第6ステップに相当)。検査システム330は、光学センサー331が検知した光の信号に基づいて規定の演算を行い、光学特性をデータ化する。ここでデータ化される光学特性は、例えば輝度やスペクトルである。検査システムは、光学特性のデータに基づいて、LED素子100を、複数のクラスのうちの1つに分類する。例えば、光学特性が良好なものは、上位のクラスに分類され、バックライトや高演色照明用LEDとして使用される。光学特性が閾値内になかったものは、LED素子100の調整工程(E)に送られる(本発明の第7ステップの前半)。閾値は、LED素子100に許容される輝度やスペクトルの範囲を定めたものであり、輝度やスペクトルの他にも複数の条件が組み合わされて決定されてもよい。
本実施形態に係るLED素子100及びその製造方法によると、半導体量子ドットの量や種類を調整することで、多様な発光スペクトルのLED素子100を実現することができる。半導体量子ドットは従来の蛍光体よりも粒子サイズが小さいため、量や分散状態のばらつきが起こりにくく、LED素子100が放射する光の光学特性を安定させることができる。
続けて、上述された実施形態の変形例が説明される。本変形例は、ナノ蛍光体層160を有しない従来のLED素子の色調を補正するためのものである。本変形例で色調が補正されるLED素子は、ナノ蛍光体層160が積層されていない点以外は、上述されたLED素子100と同様の構成を有する。ただし、色調を補正することができるLED素子は、必ずしもそのような構成に限定されるものではない。例えば、色調が補正されるLED素子は、LED素子100とは各部の形状が異なったものでもよい。また、樹脂層150に従来の蛍光体(例えば、YAG系の蛍光体)が使用された白色LED素子であってもよい。
110・・・ベース基板(ベース部材)
111・・・第1リード(リード)
112・・・第2リード(リード)
120・・・LEDチップ
121・・・P型半導体層(半導体層)
122・・・N型半導体層(半導体層)
130・・・ワイヤー(リード)
150・・・樹脂層(第1層)
160・・・ナノ蛍光体層(第2層)
200・・・ウエハー
312・・・光学センサー
331・・・光学センサー
Claims (9)
- PN接合された半導体層を有し、当該半導体層への電圧の印加によって光子を放出するLEDチップと、
上記LEDチップに積層されており、上記LEDチップから放出された光子を透過する第1層と、
上記第1層に積層されており、上記LEDチップから放出された光子を透過する媒体中に半導体量子ドットを含んだ第2層と、を備え、
上記半導体量子ドットは、上記第2層に入射した光子の少なくとも一部を吸収し、その入射した光子とは波長が異なる光子を放出するLED素子。 - 上記LEDチップは、紫外光子又は青色の光子を放出するものであり、
上記第2層は、互いに異なる波長の光子を放出する複数種類の半導体量子ドットを含み、肉眼において白色と認識される光を放射する請求項1に記載のLED素子。 - 上記第1層は、上記LEDチップが放出した光子によって蛍光する蛍光体を含み、肉眼において白色と認識される光を放射するものであり、
上記第2層は、上記第1層から放射された光とは輝度又はスペクトルの少なくとも一方が異なる光を放射するものである請求項1又は2に記載のLED素子。 - 電圧の印加によって光子を放出するLEDチップをベース部材に配置し、導電性のリードを当該LEDチップへ接続する第1ステップと、
上記LEDチップに、上記LEDチップから放出された光子を透過する第1層を積層する第2ステップと、
上記LEDチップから放出された光子を透過する媒体中に、当該媒体に入射した光子の少なくとも一部を吸収し、その入射した光子とは波長が異なる光子を放出する半導体量子ドットを含んだ第2層を、上記第1層に積層する第3ステップと、を含むLED素子の製造方法。 - 上記第3ステップにおいて、半導体量子ドットを含んだ液の微少液滴を上記第1層に吹き付けることにより、上記第2層を形成する請求項4に記載のLED素子の製造方法。
- 複数の上記LEDチップが形成されたウエハーに光を放射させ、当該光を光学センサーによって検知する第4ステップと、
上記ウエハー面における光の光学特性の分布に基づき、当該ウエハー面の位置ごとに、半導体量子ドットの種類及び量の少なくとも一方を決定する第5ステップと、をさらに含み、
上記第3ステップにおいて、上記決定された半導体量子ドットの種類及び量を含む上記第2層が積層される請求項4又は5に記載のLED素子の製造方法。 - 上記第2層が積層されたLEDチップに光を放射させ、上記第2層を通して放射された光を光学センサーによって検知する第6ステップと、
上記第6ステップで上記光学センサーが検知した光の光学特性が閾値内のものである否かを判断し、閾値内のものでないと判断された場合、当該光学特性を閾値内のものにするために必要な半導体量子ドットの種類及び量の少なくとも一方を決定する第7ステップと、
上記第7ステップで決定された半導体量子ドットの種類及び量を含む上記第2層をさらに積層する第8ステップと、をさらに含む請求項4から6のいずれかに記載のLED素子の製造方法。 - 電圧の印加によって光子を放出するLEDチップに、上記LEDチップから放出された光子を透過する第1層が積層されたLED素子の色調補正方法であって、
上記LED素子に光を放射させ、当該光を光学センサーによって検知する第9ステップと、
上記第9ステップで上記光学センサーが検知した光の光学特性を閾値内のものにするために必要な半導体量子ドットの種類及び量の少なくとも一方を決定する第10ステップと、
上記LEDチップから放出された光子を透過する媒体中に、上記第10ステップで決定された半導体量子ドットの種類及び量を含む第2層を上記第1層に積層する第11ステップと、を含み、
上記半導体量子ドットは、上記第2層に入射した光子の少なくとも一部を吸収し、その入射した光子とは波長が異なる光子を放出するものであるLED素子の色調補正方法。 - 上記第11ステップにおいて、半導体量子ドットを含んだ液の微少液滴を上記第1層に吹き付けることにより、上記第2層を形成する請求項8に記載のLED素子の色調補正方法。
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