JP2002252372A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
て発光させる蛍光物質を有する発光ダイオードにおい
て、長時間の使用環境下においても発光強度の低下が極
めて少ない、信頼性に優れた発光ダイオードを提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 本発明の発光ダイオードは、発光素子
と、発光素子を載置する基体と、発光素子を封止するた
めに基体に接着される蓋体とからなる発光ダイオードに
おいて、前記蓋体は蛍光物質を備える透光性のガラス部
材を備えてなる。更に別の態様として、発光素子が載置
される基体の凹部とガラス部材を備える蓋体とに囲まれ
た中空部には蛍光物質からなる粉末が充填されている。
Description
ト、照明光源、各種インジケーターや交通信号灯などに
利用可能な発光ダイオードに係り、特に信頼性が高く経
時変化の少ない発光ダイオードに関するものである。
体発光素子である窒化物半導体(In xGayAl
1−x−yN、0≦x≦1、0≦y≦1)を利用したL
EDチップが開発された。窒化物半導体を利用した発光
素子は、他のGaAs、AlInGaP等の材料を利用
した赤から黄緑色を発光する発光素子と比較して出力が
高い、温度による色シフトが少ないなどの特徴を持って
いるものの、現在までのところ、緑色以上の波長を有す
る長波長域で高出力を得られにくいという傾向がある。
他方、このLEDチップ上にLEDチップから放出され
た青色光の少なくとも一部を吸収して、黄色が発光可能
な蛍光物質であるYAG:Ce蛍光体などを配置させる
ことによって白色系が発光可能な発光ダイオードをも本
出願人が開発し、出願(国際公開番号WO98/507
8号)した。
ば図6のように、パッケージに一体成型されたリード電
極と電気的に接続させたLEDチップからの光と、LE
Dチップを封止する透光性樹脂中に含有されたYAG:
Ceなど蛍光物質からの光の混色光を発光するSMD型
発光ダイオードが挙げられる。このように、LEDチッ
プからの光を吸収し波長変換する蛍光物質は、封止樹脂
中に含有されてLEDチップ周辺に配置されている。封
止樹脂としては、窒化物半導体との密着性が良く、機械
的強度に優れ、また化学的にも安定しており、価格が安
価である等の理由から、エポキシ系樹脂が現在最もよく
用いられている。
シ系樹脂等の封止樹脂は、発光素子からの強い光や熱に
弱いという性質を有する。特に短波長の発光が可能な窒
化物半導体素子を用いた発光ダイオードの場合、他色に
比べてエネルギーが高いために、封止樹脂が発光素子の
周辺から次第に劣化・着色し、その着色部が発光素子か
らの光を吸収してしまう。また、駆動時には発光素子の
温度が上昇し、発光素子からの熱によっても封止樹脂の
劣化・着色が生じ、特に小型のLEDは、放熱性の問題
から熱による影響を受けやすい。このような理由から、
長時間の使用環境下では、発光素子自体は劣化していな
いにもかかわらず、発光ダイオードの発光強度が低下し
て使用不可になってしまう。そのため、高出力可能な発
光ダイオードであるにもかかわらず、小さい電流しか流
すことができず、特性を十分に引き出すことができない
のが現状である。そこで、本発明の目的は、上記課題を
解決し、長時間の使用環境下においても発光強度の低下
が極めて少ない、信頼性に優れた発光ダイオードを提供
することにある。
ダイオードは、発光素子と、発光素子を載置する基体
と、発光素子を封止するために前記基体に接着される蓋
体とからなる発光ダイオードにおいて、前記蓋体は透光
性のガラス部材からなるか、或いは透光性のガラス部材
を備えてなると共に、前記透光性ガラス部材は発光素子
が発光する発光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換
して発光する蛍光物質を備えてなることを特徴とする。
を樹脂を使用せずに発光素子周辺に配置できるため、従
来問題となっていた発光素子からの光や熱による樹脂劣
化の問題がなくなり、信頼性の高い長波長変換型の発光
ダイオードを実現することができる。
は、蛍光物質が透光性のガラス部材中に分散されている
発光ダイオードである。
は、透光性のガラス部材の内面及び/又は外面に蛍光物
質含有層が形成されている発光ダイオードである。
は、凹部を備えた基体と、該凹部の底面に設けられた発
光素子と、該発光素子を封止するために前記基体に接着
される蓋体とからなる発光ダイオードにおいて、前記蓋
体は透光性のガラス部材からなるか、或いは透光性のガ
ラス部材を備えてなると共に、前記基体の凹部と蓋体と
に囲まれた中空部には発光素子が発光する発光波長の少
なくとも一部を吸収し波長変換して発光する蛍光物質か
らなる粉末が充填されていることを特徴とする。
を樹脂を使用せずに発光素子周辺に配置できるため、従
来問題となっていた発光素子からの光や熱による樹脂劣
化の問題がなくなり、信頼性の高い長波長変換型の発光
ダイオードを実現することができる。
は、粉末に、更に透光性の無機フィラーが含有されてい
る発光ダイオードである。
は、発光素子が前記基体上にろう材を介して接合される
と共に、発光素子の同一面上に形成された正負一対の電
極は、基体に形成されたリード電極とそれぞれワイヤー
ボンディングされている発光ダイオードである。このよ
うに構成することで、さらに経時変化の少ない高信頼性
の発光ダイオードが得られる。
は、発光素子の同一面側に形成された正負一対の電極
が、基体に形成されたリード電極とそれぞれ、はんだ又
は金属バンプを介して接続されている発光ダイオードで
ある。このように構成することで、さらに経時変化の少
ない高信頼性の発光ダイオードが得られる。
は、発光素子が少なくとも発光層に窒化物系化合物半導
体を有する発光ダイオードである。
発光素子が発光する発光波長の少なくとも一部を吸収し
波長変換して発光する蛍光物質を樹脂を使用せずに発光
素子周辺に配置できる長波長変換型の発光ダイオードを
見出し本発明を成すに至った。
は、蛍光物質を含有させた樹脂で発光素子を封止してい
たが、このような発光ダイオードでは、発光素子からの
光や熱により時間経過とともに樹脂が劣化し、発光ダイ
オードの発光強度が低下するという問題があった。特
に、紫外線による樹脂の劣化は著しく、発光素子として
紫外線を発するLEDチップを使用できないという問題
もあった。しかし、本発明の発光ダイオードによれば、
発光素子周辺を樹脂で封止しないため、長時間の使用環
境下においても発光強度の低下が極めて少ない、信頼性
に優れた発光ダイオードが得られる。また、樹脂による
劣化がないために、高電流下での使用が可能になり、高
出力の発光ダイオードを実現することが可能となる。さ
らに、樹脂による劣化がないため、発光素子に紫外線を
発するLEDチップを使用することもできるため、紫外
線により励起されて可視光を発する種々の蛍光物質と組
み合わせて、あらゆる色調の発光ダイオードを得ること
ができる。以下、本発明に係る実施の形態の発光ダイオ
ードについて説明する。
施の形態1のSMD型発光ダイオードの構成を示す模式
断面図であり、基体101の凹部底面に露出された一対
のリード電極102上に、LEDチップ103が配置さ
れている。LEDチップ103は青窒化ガリウム系化合
物半導体を発光層とする発光素子であり、同一面側に形
成された正負一対の各電極上には、それぞれ金バンプ1
04がそれぞれ形成され、これらのバンプ104と基体
101の凹部底面に露出されたリード電極102とをそ
れぞれ接続するように超音波フリップチップ実装されて
いる。また、基体101にはLEDチップを気密封止す
るためにガラス部材からなる蓋体106がエポキシ樹脂
等の接着剤105を介して接着されている。蓋体106
は透光性のガラス部材からなり、その透光性のガラス部
材中には、前記LEDチップ103が発光する発光波長
の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する蛍光物
質が分散されている。
施の形態2のSMD型発光ダイオードの構成を示す模式
断面図であり、基体201の凹部底面に露出された一対
のリード電202極上に、LEDチップ203が配置さ
れている。LEDチップ203は窒化ガリウム系化合物
半導体を発光層とする発光素子であり、同一面側に形成
された正負一対の各電極上には、金バンプ204がそれ
ぞれ形成され、これらのバンプ204と基体の凹部底面
に露出されたリード電極202とをそれぞれ接続するよ
うに超音波フリップチップ実装されている。また、基体
201にはLEDチップ203を気密封止するために蓋
体206がエポキシ樹脂等の接着剤205を介して接着
されている。この蓋体206は透光性のガラス部材から
なり、そのガラス部材の一方の面側、つまり基体201
へ接着時に内面となる側には、前記LEDチップ203
が発光する発光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換
して発光する蛍光物質を含有する蛍光物質含有層207
が形成されている。
施の形態4のSMD型発光ダイオードの構成を示す模式
図である。(a)は使用する基体を示す斜視図であり、
基体は絶縁部材303により接着されると共に電気的に
分離された第1の金属部301と第2の金属部302と
からなる。第1の金属部301および第2の金属部30
2の材料としては、熱伝導率の良いCu等が好ましく使
用でき、また、反射率を良くするために表面をAgでメ
ッキしてもよい。絶縁部材303としては、エポキシ樹
脂等が使用できる。(b)は(a)の基体を用いて作製
したSMD型発光ダイオードを示す(a)のXX’方向
の模式断面図である。LEDチップ304は窒化ガリウ
ム系化合物半導体を発光層とする発光素子であり、凹部
を有する第1の金属部301の凹部底面にはんだなどの
ダイボンド材305を介してダイボンディングされてい
る。LEDチップ304の同一面側に形成された正電極
と負電極うちの一方の電極と第1の金属部301、LE
Dチップ304の他方の電極と第2の電極部302とを
金線等の導電性ワイヤー306でワイヤーボンディング
して電気的導通を取る。ここで、第1の金属部301及
び第2の金属部302のワイヤーボンディング部とし
て、第1の金属部の凹部から続く溝が形成されており、
また、この溝にはワイヤーボンディング後にエポキシ樹
脂等の絶縁部材307を充填し硬化させている。絶縁部
材307を硬化させた後、第1の金属部301の凹部内
に蛍光物質の粉末308を充填した後、粉末308が凹
部内を移動しないようにガラス部材からなる蓋体310
を接着剤309を介して基体に固着して、粉体表面を蓋
体310で抑える。またこの時、図のように蓋体310
を第1の金属部301の凹部と嵌合するような形状とす
ることで、蛍光物質の粉末308の充填量を最適量に調
節することができる。
施の形態4のキャンタイプの発光ダイオードの構成を示
す模式断面図である。金属ステム401の凹部底面には
二つの貫通孔が設けられており、その貫通孔には、絶縁
部材403を介してリード電極402がそれぞれ固定さ
れている。金属ステム401やリード電極402の材料
としては、Cu合金、Al合金、Fe合金が好ましく使
用できる。絶縁部材403としては、ガラス、ガラスエ
ポキシ樹脂、セラミックス等を用いる。LEDチップ4
04は窒化ガリウム系化合物半導体を発光層とする発光
素子であり、金属ステム401の凹部底面上にはんだや
低融点金属等のダイボンド材405を介してダイボンデ
ィングされている。LEDチップ404の同一面側に形
成された正負一対の各電極とリード電極402とをそれ
ぞれ金線等の導電性ワイヤー406でワイヤーボンディ
ングし電気的導通を取る。その後、金属ステム401の
凹部内に蛍光物質の粉末408を充填した後、粉末40
7が凹部内を移動しないように金属ステム401にガラ
ス部材からなるレンズ状の蓋体409を接着剤408を
介して固着する。
ドの各構成要素について説明する。 (蛍光物質)本発明の発光ダイオードに用いられる蛍光
物質としては、発光素子からの光を受けて励起され、そ
れよりも長波長の可視光を発光可能な種々の蛍光物質を
利用することができる。
な発光素子を使用した場合、蛍光物質としては紫外線に
より励起されて可視光を発する蛍光体が使用できる。具
体的には、ケイ酸塩系蛍光体、リン酸塩系蛍光体、アル
ミン酸系蛍光体、希土類系蛍光体、酸希土類系蛍光体、
硫化亜鉛系蛍光体などが挙げられ、緑色系発光蛍光体で
は、Y2SiO5:Ce,Tb、MgAl11O19:
Ce,Tb、BaMg 2Al16O27:Mn、(Z
n,Cd)S:Ag、ZnS:Au,Cu,Al、Zn
S:Cu,Al、SrAl2O4:Eu、青色系発光蛍
光体では(SrCaBa)5(PO4)3Cl:Eu、
(BaCa)5(PO4)3Cl:Eu、BaMg2A
l16O27:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、
Sr2P2O7:Eu、ZnS:Ag、Al、ZnS:
Ag,Al(pigmented)、ZnS:AgC
l、ZnS:AgCl(pigmented)、赤色系
発光蛍光体ではY2O2S:Eu、Y2O2S:Eu
(pigmented)、Y2O 3:Eu、3.5Mg
O・0.5MgF2・GeO2:Mn、Y(PV)
O4:Eu、5MgO・3Li2O・Sb2O5:M
n、Mg2TiO4:Mn等が挙げられる。比較的発光
効率が高いものとしては、緑色系発光蛍光体ではSrA
l 2O4:Eu、青色系発光蛍光体ではSr5(P
O4)3Cl:Eu、赤色系発光蛍光体ではY2O
2S:Euが挙げられる。また、上述したような緑色系
発光蛍光体、青色系発光蛍光体及び赤色系発光蛍光体の
3種の発光色の蛍光体を組み合わせて使用することで、
白色が発光可能な発光ダイオードを得ることができる。
発光素子を使用した場合、補色により白色系が発光可能
な蛍光物質とし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が好適に用いられ
る。本明細書において、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は特に広義に
解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体
を、Lu、Sc、La、Gd及びSmからなる群から選
ばれる少なくとも1つの元素に置換し、あるいは、アル
ミニウムの一部あるいは全体を、GaとInの何れか又
は両方で置換する蛍光作用を発する蛍光体を含む広い意
味に使用する。
3Al5O12:Ce(但し、0<z≦1)で示される
フォトルミネッセンス蛍光体や一般式(Re1−aSm
a) 3Re’5O12:Ce(但し、0≦a<1、0≦
b≦1、Reは、Y、Gd、La、Scから選択される
少なくとも一種、Re’は、Al、Ga、Inから選択
される少なくとも一種である。)で示される蛍光体であ
る。
熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを45
0nm付近にさせることができる。また、発光ピーク
も、580nm付近にあり700nmまですそを引くブ
ロードな発光スペクトルを持つ。
有することにより、460nm以上の長波長域の励起発
光効率を高くすることができる。Gdの含有量の増加に
より、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長
も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色
が必要な場合、Gdの置換量を多くすることで達成でき
る。一方、Gdが増加すると共に、青色光によるフォト
ルミネセンスの発光輝度は低下する傾向にある。
ウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成のう
ち、Alの一部をGaで置換することで発光波長が短波
長側にシフトする。また、組成のYの一部をGdで置換
することで、発光波長が長波長側にシフトする。このよ
うに組成を変化することで発光色を連続的に調節するこ
とも可能である。
れる。まず、Y、Gd、Ce、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℃の温度範囲で2〜5時
間焼成して焼成品を得、つぎ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。
が発光可能な蛍光物質である、ユウロピウム及び/又は
セリウムで付活されたサファイア(酸化アルミニウム)
蛍光体やユウロピウム及び/又はセリウムで付活された
窒素含有CaO−Al2O3−SiO2蛍光体(オキシ
ナイトライド蛍光硝子)などが挙げられる。これらの蛍
光体を利用して、発光素子からの光と蛍光体からの光の
混色により白色光を得ることもできる。
れた窒素含有CaO−Al2O3−SiO2蛍光体は、
酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化珪素及び酸
化カルシウムなどの原料に希土類原料を所定に混合した
粉末を窒素雰囲気下において1300℃から1900℃
(より好ましくは1500℃から1750℃)において
溶融し成形させる。成型品をボールミルして洗浄、分
離、乾燥、最後に篩を通して蛍光体を形成させることが
できる。これにより450nmにピークをもった励起ス
ペクトルと約650nmにピークがある青色光により赤
色発光が発光可能なEu及び/又はCrで付活されたC
a-Al-Si-O-N系オキシナイトライド蛍光硝子とす
ることができる。
付活されたCa-Al-Si-O-N系オキシナイトライド
蛍光硝子の窒素含有量を増減することによって発光スペ
クトルのピークを575nmから690nmに連続的に
シフトすることができる。同様に、励起スペクトルも連
続的にシフトさせることができる。そのため、Mg、Z
nなどの不純物がドープされたGaNやInGaNを発
光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体からの光と、約
580nmの蛍光体の光の合成光により白色系を発光さ
せることができる。特に、約490nmの光が高輝度に
発光可能なInGaNを発光層に含む窒化ガリウム系化
合物半導体からなる発光素子との組合せに理想的に発光
を得ることもできる。
光体とユウロピウム及び/又はセリウムで付活された窒
素含有Ca-Al-Si-O-N系オキシナイトライド蛍光
硝子とを組み合わせることにより青色系が発光可能な発
光素子を利用してRGB(赤色、緑色、青色)成分を高
輝度に含む極めて演色性の高い発光ダイオードを形成さ
せることもできる。
質を効率よく励起できる比較的バンドエネルギーが高い
半導体発光素子が好適に挙げられる。このような発光素
子としては、MOCVD法等により形成された窒化物系
化合物半導体が用いられる。窒化物系化合物半導体発光
素子は、InxAlyGa1−x−yN(ただし、0≦
x、0≦y、x+y≦1)を発光層とし、半導体層の材
料やその混晶度によって発振波長を種々選択することが
できる。半導体の素子構造としては、MIS接合、PI
N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。特に、本
願発明においては、LEDチップの活性層をInGaN
からなる多重量子井戸構造とすることにより、フォトル
ミネセンス蛍光体の劣化がなく、より高輝度に発光する
発光ダイオードとして利用することができる。
合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、SiC、S
i、ZnO等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガ
リウムを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GaN、AlN
等のバッファー層を形成し、その上にpn接合を有する
窒化ガリウム系化合物半導体を形成させる。窒化ガリウ
ム系化合物半導体は、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
化ガリウム系化合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型窒化ガリウム系化合
物半導体を形成させる場合は、p型ドーパンドであるZ
n、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。
窒化ガリウム系化合物半導体は、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、低速電子線照射やプラズマ照射等
により低抵抗化させることが好ましい。エッチングなど
によりp型半導体及びn型半導体の露出面を形成させた
後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを
用いて所望の形状の各電極を形成させてからウエハを分
割し、LEDチップを得ることができる。
ウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット蛍光体を発光させる場合は、蛍光体との補色関係を
考慮して発光素子の主発光ピーク波長は400nm以上
530nm以下の範囲にあることが好ましく、420n
m以上490nm以下がより好ましい。LEDチップと
蛍光体との効率をそれぞれより向上させるためには、4
50nm以上475nm以下の範囲にあることががさら
に好ましい。また本発明の発光ダイオードにおいて、蛍
光物質として紫外線により励起されて可視光を発する蛍
光体を使用する場合は、発光素子の主発光ピークは36
0nm以上390nm以下の範囲にあることが好まし
い。このように蛍光物質との組み合わせを考慮して、最
適な発光波長の発光素子を選択する。なお、本願発明の
LEDチップにくわえて、蛍光物質を励起しないLED
チップを一緒に用いることもできる。また、発光素子と
して半導体レーザーを利用することもできる。
ージは、発光素子を載置するための基体と、発光素子を
封止するための蓋体とから構成され、その蓋体が透光性
ガラス部材を備えたものが使用される。蓋体は、透光性
ガラス部材で形成されていてもよいし、発光素子と対向
する部分に透光性のガラス部材を備えて構成されていて
もよい。また、実施の形態1、2のような表面実装型の
樹脂パッケージや、実施の形態3にような表面実装型の
金属パッケージ、実施の形態4のようなキャンタイプの
パッケージ等、種々のパッケージを使用することができ
る。
ためには、発光素子が発光する発光波長の少なくとも一
部を吸収し波長変換して発光する蛍光物質を発光素子周
辺に配置させるが、本発明ではその第1の手段として、
実施の形態1〜3のように蛍光物質を蓋体に備えられた
透光性のガラス部材中に含有させるか、透光性のガラス
部材の内面及び/又は外面に蛍光物質含有層を形成させ
ることで、発光素子からの発光と蛍光物質からの発光と
の混色光を発光する長波長変換型の発光ダイオードを形
成させる。ここで、ガラス部材の内面及び/又は外面に
蛍光物質含有層を形成するには、蛍光物質をバインダー
中に分散させて塗布した後、加熱してバインダーを飛ば
すことで形成することができる。この時、透光性のガラ
ス部材を基体の凹部と嵌合するような形状とすること
で、発光素子と蛍光物質が含有されたガラス部材との距
離を短くなり、発光素子から放出された光を蛍光物質が
より効率よく変換することが可能となる。
明の第2の手段としては、実施の形態4、5のように、
基体に形成された凹部の底面に発光素子を載置させ、そ
の凹部と蓋体とに囲まれた中空部に蛍光物質を粉末の状
態で充填することで、発光素子からの発光と蛍光物質か
らの発光との混色光を発光する長波長変換型の発光ダイ
オードを形成させる。この時、パッケージのキャビティ
高さを調整したり、ガラス部材をパッケージの凹部内に
嵌合するような形状にしたり、或いは、粉末中に更に無
機部材のフィラーを含有させることで、蛍光物質の充填
量を最適量に調整することができる。また、拡散材とし
ての効果を持たせることもできる。無機部材のフィラー
としては、透光性であれば良く、具体的にはSiO2、
TiO2等が使用できる。
では、蛍光物質を含有させた樹脂を溶融状態でキャビテ
ィに充填し固化させるが、この時、比重差により樹脂が
固化するまでの間に樹脂と蛍光物質の分離が生じるた
め、樹脂中に蛍光物質を均一に分散させるのは困難であ
った。ところが、本発明の発光ダイオードでは、粉末の
状態でキャビティ内に充填するため、たとえフィラーを
含有していても比重差により分離が生じることもなく、
また気泡が生じることもないので、色ムラなく均一に発
光させることが可能となる。また、本発明の発光ダイオ
ードでは、蛍光物質を粉末の状態でキャビティ内に充填
するため、孔版印刷によりキャビティ内を樹脂封止する
時のようにマスクを形成する必要がなく、樹脂を固化さ
せる時間も不要になるため非常に生産性に優れている。
さらに、キャビティ内を樹脂やガラス等で封止した従来
の発光ダイオードでは、実装時のリフロー熱により、L
EDチップ・基板・リード電極と封止部材との熱膨張係
数差による剥離に伴いワイヤーオープン等の不良が発生
する場合がある。特に、金属材料のパッケージでは、放
熱性に優れているという利点はあるものの、封止部材と
の熱膨張係数差が大きくパッケージと封止部材との間に
剥離が生じやすく、それに伴い配光特性が変化する恐れ
がある。ところが、本発明の発光ダイオードでは、キャ
ビティ内に蛍光物質が粉末の状態で充填されているので
熱膨張係数差による剥離が発生せず、非常に信頼性に優
れている。
光性のガラス部材の形状を所望の形状にすることによ
り、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もできる。例えば、発光面
側を凸レンズ形状、或いは凹レンズ形状等にしてもよ
い。さらに、上記で述べたように、発光素子との距離や
蛍光物質の充填量を調整するために、発光素子側をパッ
ケージの凹部内に嵌合するような形状にしても良い。
プの各電極と電気的に接続するためのリード電極を有し
ており、発光ダイオードの形態によって種々の形状を取
ることができる。例えば、実施の形態1、2のような樹
脂パッケージの場合は、一対の金属板をリード電極とし
て構成することができる。また、実施の形態3のように
パッケージとリード電極としての機能を併せて持たせる
こともできる。実施の形態4のように、金属ステムに絶
縁部材を介してリード電極を設けることもできる。これ
らリード電極は、導電性ワイヤーであるボンディングワ
イヤー等との接続性及び電気伝導性が良いことが求めら
れる。具体的材料としては、鉄、銅、銅の合金等や、こ
れらに銀、アルミニウム、金等の金属メッキが施された
ものが挙げられる。
気的に接続させるには、発光素子の電極とパッケージの
リード電極とをフリップチップで実装させてもよいし、
発光素子の電極とリード電極とをワイヤーボンディング
により接続させてもよい。しかし、本実施の形態1、2
のように、蓋体のガラス部材に蛍光物質が備えられてい
る場合は、発光素子をフリップチップ実装することが好
ましい。フリップチップ実装することで、ワイヤーを張
るためのスペースが不要となり、発光素子とガラス部材
との距離を短くすることができるので、発光素子から放
出された光を蛍光物質がより効率よく変換することが可
能となる。
料としては、金属バンプやはんだを使用し、好ましくは
金バンプを用いる。金バンプは、発光素子の電極に形成
してもよいし、基体のリード電極に形成してもよい。金
バンプを使用してフリップチップ実装する場合、金バン
プを超音波にて金属間接合させる超音波フリップチップ
接合方式を使用することが好ましい。これは、種々のフ
リップチップ実装方式の中で、シンプルかつ最も生産性
の高い実装方式であり、これによれば、接合部にも樹脂
を必要としないため、さらに信頼性が向上し、また高電
流にも対応できる。
場合、発光素子をパッケージの基体にダイボンディング
するためのダイボンド材としては、発光素子からの光や
熱による劣化を考慮して、樹脂を使用せず、はんだや低
融点金属等のろう材を用いる。具体的には、In、Au
−Sn、Sn−Pb、Sn−Ag、Sn−Ag−Cu、
Sn−Cu−Ni、Sn−Sb、Sn−Pb−Ag、S
n−Bi、Sn−Bi−Pb、Sn−Pb−Ag−Sb
等が挙げられ、好ましくは化学的に安定なAu−Sn共
晶を使用する。これらのろう材は、予め発光素子又は基
体のボンディング位置に蒸着、スパッタまたはメッキ等
の方法で薄膜として形成させても良いし、金やはんだ等
でバンプとして形成させても良い。このようにして薄膜
やバンプを形成させた後、熱圧着により基体上に発光素
子をダイボンディングさせる。また、単に箔材を発光素
子と基体との間に介在させて熱圧着を行い、発光素子と
基体とを同時に箔材に接着させることでもダイボンディ
ング可能である。
て、図5の如き長波長変換型のSMD型発光ダイオード
を形成する。基体として、打ち抜き加工によりリード電
極502を形成し、ガラスエポキシ樹脂を射出成型器ホ
ッパに入れて加熱溶融させながら、リード電極502を
配置させた金型内に注入し、射出成形を利用して基体5
01を形成する。
層を有し主発光ピークが470nmのLEDチップ50
3を用いる。LEDチップは、MOCVD法を利用して
形成する。具体的には、反応室内に洗浄したサファイア
基板を配置させる。反応ガスとして、TMG(トリメチ
ル)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、TM
A(トリメチルアルミニウム)ガス、アンモニアガス及
びキャリアガスとして水素ガス、さらには不純物ガスと
してシランガス及びシクロペンタジアマグネシウムを利
用して成膜させる。
上に低温バッファ層であるAlGaN、結晶性を向上さ
せるノンドープGaN(厚さ約15000Å)、電極が
形成されn型コンタクト層として働くSiドープのGa
N(厚さ約21650Å)、結晶性を向上させるノンド
ープのGaN(厚さ約3000Å)、n型クラッド層と
してノンドープのGaN(厚さ約50Å)、Siをドー
プしたGaN(厚さ約300Å)の超格子からなる多層
膜、その上に形成される発光層の結晶性を向上させる、
ノンドープのGaN(厚さ約40Å)と、ノンドープの
InGaN(厚さ約20Å)の超格子からなる多層膜、
多重量子井戸構造からなる発光層として、ノンドープの
GaN(厚さ約250Å)と、InGaN(厚さ約30
Å)の多層膜、p型コンタクト層として働くMgがドー
プされたInGaN(厚さ約25Å)とMgがドープさ
れたGaAlN(厚さ約40Å)の超格子からなる多層
膜及びp型コンタクト層であるMgがドープされたGa
N(厚さ約1200Å)を成膜させる。
ガリウム系半導体層及び発光層を部分的にエッチングし
て、n型コンタクト層を露出させ、露出されたn型コン
タクト層の上面にn側の負電極を形成する。更に、p型
コンタクト層の上面のほぼ全面にp側の第1の正電極を
形成し、その第1の電極上の負電極から離れた位置に第
2の正電極を形成する。電極形成後、負電極上及び第2
の正電極上の開口部を除き、各電極及び各半導体層を覆
うように絶縁膜を形成し、負電極及び第2の正電極の開
口部に金バンプを形成した後に、個々の発光素子に分割
して青色が発光可能なLEDチップ503を形成させ
る。
503を、LEDチップ503の各電極上にそれぞれ形
成されたバンプ504と基体501の凹部底面に露出さ
れたリード電極502とがそれぞれ接続するようにフリ
ップチップ実装する。その後、基体501の凹部内にY
AG:Ce蛍光体の粉末505を充填した後、基体50
1の凹部周縁部に接着剤506としてエポキシ樹脂を塗
布した後、厚さ0.1mmの板状のガラス部材からなる
蓋体507を張り合わせて接着剤506を硬化させる。
このようにして、高輝度及び高出力でもって白色が発光
可能な発光ダイオードが得られる。
に示すように窒化物半導体からなるLEDチップ103
を、LEDチップ103の各電極上にそれぞれ形成され
たバンプ104と基体101の凹部底面に露出されたリ
ード電極102とがそれぞれ接続するようにフリップチ
ップ実装する。次に、溶融状態のガラス部材にYAG:
Ce蛍光体の粉末を添加、混合して均一に分散させた
後、固化させ、蛍光物質が含有された厚さ0.1mmの
板状のガラス部材を形成し、これを蓋体106とする。
基体101の凹部周縁部に接着剤105としてエポキシ
樹脂を塗布した後、形成された蓋体106を張り合わせ
て接着剤105を硬化させる。このようにして、高輝度
及び高出力でもって白色が発光可能な発光ダイオードが
得られる。
物半導体からなるLEDチップ603を、LEDチップ
603の各電極上にそれぞれ形成されたバンプ604と
基体601の凹部底面に露出されたリード電極602と
がそれぞれ接続するようにフリップチップ実装する。次
に、エポキシ樹脂とYAG:Ce蛍光体をよく混合して
スラリーとする。このスラリーを基体601の凹部内に
充填し硬化させて、蛍光物質605が含有された封止樹
脂606を基体601の凹部内に形成させる。このよう
にして、白色発光可能な発光ダイオードを形成する。
た発光ダイオードについて、信頼性試験により比較を行
った。図7は、(a)が実施例1、(b)が比較例1の
信頼性試験の結果を示すグラフ図で、温度25℃で10
mA、20mA、40mA通電の経過時間に対する輝度
保持率を表している。輝度はそれぞれの初期値を基準に
して相対値を示す。この結果から、実施例1の発光ダイ
オードは、比較例1の発光ダイオードに比べて輝度保持
率が高く、信頼性に優れているといえる。特に、40m
A通電における輝度保持率は、比較例1の発光ダイオー
ドでは1000時間後に40%以下になっていたのが、
実施例1の発光ダイオードでは約70%であり、高電流
下での信頼性に優れていることがわかる。
ドによれば、蛍光物質を樹脂を使用せずに発光素子周辺
に配置するため、長時間の使用環境下においても樹脂劣
化による発光強度の低下のない、信頼性に優れた発光ダ
イオードを得ることができる。また、樹脂による劣化が
ないので、高電流下での使用が可能なとなり高出力の発
光ダイオードを得ることができる。更に、紫外光を発す
る発光素子と紫外光により励起されて可視光を発する蛍
光物質とを組み合わせた信頼性の高い発光ダイオードも
得ることができる。
ビティ内に蛍光物質が粉末の状態で充填されているの
で、従来の発光ダイオードにようにLEDチップ・パッ
ケージ・リード電極と封止部材との間に熱膨張係数差に
よる剥離が発生せず、非常に信頼性に優れている。
ードを示す模式的断面図である。
ードを示す模式的断面図である。
ードを示す模式図である。
ダイオードを示す模式的断面図である。
を示す模式的断面図である。
イオードの模式的断面図である。
性試験の結果を表すグラフ図である。
電極 103、203、304、404、503、603・・
・LEDチップ 104、204、504、604・・・バンプ 105、205、309、408、506・・・接着剤 106、206、310、409、507・・・蓋体 207・・・蛍光物質含有層 301・・・第1の金属部 302・・・第2の金属部 303、403・・・絶縁部材 305、405・・・ダイボンド材 306、406・・・導電性ワイヤー 307・・・絶縁部材 308、407、505・・・蛍光物質の粉末 401・・・金属ステム 605・・・蛍光物質 606・・・封止樹脂
Claims (8)
- 【請求項1】 発光素子と、発光素子を載置する基体
と、発光素子を封止するために前記基体に接着される蓋
体とからなる発光ダイオードにおいて、前記蓋体は透光
性のガラス部材からなるか、或いは透光性のガラス部材
を備えてなると共に、前記透光性ガラス部材は発光素子
が発光する発光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換
して発光する蛍光物質を備えてなることを特徴とする発
光ダイオード。 - 【請求項2】 前記蛍光物質は、前記透光性のガラス部
材中に分散されている請求項1に記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項3】 前記透光性のガラス部材の内面及び/又
は外面に、蛍光物質含有層が形成されている請求項1ま
たは2に記載の発光ダイオード。 - 【請求項4】 凹部を備えた基体と、該凹部の底面に設
けられた発光素子と、該発光素子を封止するために前記
基体に接着される蓋体とからなる発光ダイオードにおい
て、前記蓋体は透光性のガラス部材からなるか、或いは
透光性のガラス部材を備えてなると共に、前記基体の凹
部と蓋体とに囲まれた中空部には発光素子が発光する発
光波長の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する
蛍光物質からなる粉末が充填されていることを特徴とす
る発光ダイオード。 - 【請求項5】 前記粉末には、更に透光性の無機フィラ
ーが含有されている請求項4に記載の発光ダイオード。 - 【請求項6】 前記発光素子が前記基体上にろう材を介
して接合されると共に、発光素子の同一面上に形成され
た正負一対の電極は、基体に形成されたリード電極とそ
れぞれワイヤーボンディングされている請求項1乃至5
に記載の発光ダイオード。 - 【請求項7】 前記発光素子の同一面側に形成された正
負一対の電極が、基体に形成されたリード電極とそれぞ
れ、はんだ又は金属バンプを介して接続されている請求
項1乃至5に記載の発光ダイオード。 - 【請求項8】 前記発光素子は少なくとも発光層に窒化
物系化合物半導体を有する請求項1乃至7に記載の発光
ダイオード。
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