JP2006173196A - 発光素子及びこれを用いた発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子及びこれを用いた発光ダイオードにおいて、ｐｎ接合面を基板の反対側に配してもワイヤーを用いずに電極の電気的接続ができ、封止樹脂部の高さを低くすることができると共に効率的に光を取り出すこと。
【解決手段】 ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂが形成された基板１４と、ｐ型半導体層１５とｎ型半導体層１６とを積層してなるｐｎ接合面Ｊを上面側に有し、ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂ上にこれらに対応して下面に形成されたｐ側電極パターン１１Ａ及びｎ側電極パターン１１Ｂを配してハンダＨで接着された発光素子２２と、発光素子２２の周囲を覆う封止樹脂部６と、を備え、発光素子２２には、ｎ型半導体層１６とｎ側電極パターン１１Ｂとを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させるｎ側スルーホール１８が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージの薄型化及び小型化に好適な発光素子及びこれを用いた発光ダイオードに関する。

従来、表面実装型の発光ダイオードは、特許文献１に記載されているように、通常、発光素子を基板上に接着し、ワイヤーボンディングやバンプによって基板との導通を確保した後に樹脂封止してパッケージ化されている。
例えば、１本のワイヤーボンディングで電気的接続を行う場合、図７の（ａ）（ｂ）に示すように、ｐｎ接合面Ｊを上部に配すると共に上面に電極パターン１が一つ形成された発光素子２を、一対の配線パターン３Ａ、３Ｂが形成された基板４の一方の配線パターン３Ａ上に半田等（図示略）で接着固定し、発光素子２の下面側と電気的に接続する。

さらに、Ａｕ細線等のワイヤー５で発光素子２の電極パターン１と基板４の他方の配線パターン３Ｂとをワイヤーボンディングで接続する。この状態で、透明な封止樹脂部６で発光素子２を封止することでパッケージ化している。また、白色発光させる場合には、発光素子２として青色発光ダイオードを用い、この発光素子２の周辺を蛍光体入り樹脂７で覆っている。なお、封止樹脂部６に直接蛍光体を混ぜても同様に白色発光を得ることができる。

また、２本のワイヤーボンディングで電気的接続を行う場合、図８の（ａ）（ｂ）に示すように、ｐｎ接合面Ｊを上面側に配すると共に一対の電極パターン１Ａ、１Ｂが上面に形成された発光素子１２を、一対の配線パターン３Ａ、３Ｂが形成された基板４の一方の配線パターン３Ａ上に半田等（図示略）で接着固定し、発光素子１２の下面側と電気的に接続する。なお、一対の電極パターン１Ａ、１Ｂは、一方が発光素子１２のｐ側電極とされ、他方が発光素子１２のｎ側電極とされている。さらに、一方のワイヤー５Ａで発光素子１２上の一方の電極パターン１Ａと基板４の一方の配線パターン３Ａとをワイヤーボンディングで接続すると共に、他方のワイヤー５Ｂで発光素子１２上の他方の電極パターン１Ｂと基板４の他方の配線パターン３Ｂとをワイヤーボンディングで接続している。

さらに、図９の（ａ）（ｂ）に示すように、ワイヤーボンディングを用いずにバンプ８で電気的接続を行う場合、上記図８に示した発光素子１２を下向き、すなわちｐｎ接合面Ｊを下側にし、基板４の一方の配線パターン３Ａ上に一方の電極パターン１Ａを配すると共に他方の配線パターン３Ｂ上に他方の電極パターン１Ｂを配するようにして、それぞれバンプ８で接着固定することにより、発光素子１２と配線パターン３Ａ、３Ｂとを電気的に接続している。

特開２００４−１９３４５１号公報（第２頁、図１、図６）

上記従来の電気的接続では、ワイヤーボンディングを用いる場合、ワイヤー５、５Ａ、５Ｂが露出しない程度しか、封止樹脂部６の高さを低くすることができず、パッケージ全体を薄くすることが困難であった。また、ワイヤーボンディングのためのスペースを上面の電極に設ける必要があるため、大きな電極により光が遮られてしまう不都合があった。さらに、ワイヤー５、５Ａ、５Ｂが上面側に配されるため、ワイヤー５、５Ａ、５Ｂが光を遮ってしまうという不都合もあった。
また、バンプ８を用いる場合、封止樹脂部６の高さを低くすることは可能であるが、発光素子１２のｐｎ接合面Ｊが基板４側になるため、白色発光用の蛍光体入り樹脂７までの距離が遠くなり、蛍光体による変換効率が低下してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ｐｎ接合面を基板の反対側に配してもワイヤーを用いずに電極の電気的接続ができ、封止樹脂部の高さを低くすることができると共に効率的に光を取り出すことができる発光素子及びこれを用いた発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の発光素子は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを積層してなるｐｎ接合面を上面側に有し、下面に一対の電極パターンが形成された発光素子であって、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層と一対の電極パターンのうち一つとを、他の層とは絶縁状態で電気的に導通させるスルーホールが形成されていることを特徴とする。

すなわち、この発光素子では、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層と一対の電極パターンのうち一つとをスルーホールを介して導通させることにより、ｐｎ接合面を上面側に配しても上面でのワイヤーボンディングが不要となり、ワイヤーによる光の遮断を無くすことができる。さらに、ワイヤーボンディング用のスペースを上面の電極に設ける必要が無くなるので、上面において電極を小さくすることができ、上面の電極による光の遮断を低減することができると共に、上面の電極の小型化により、パッケージサイズを小さくすることが可能になる。したがって、パッケージ化した際に全体として薄型化及び小型化を図ることができると共に、遮蔽物が少なく、効率的な光の変換及び出射を得ることができる。

また、本発明の発光素子は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層のうち一方と一対の電極パターンの一方とを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させる第１のスルーホールと、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層のうち他方と一対の電極パターンの他方とを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させる第２のスルーホールと、が形成されていることを特徴とする。すなわち、この発光素子では、第１のスルーホールと第２のスルーホールとで、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層と一対の電極パターンとのそれぞれの電気的接続を行うことにより、サファイヤ基板等の絶縁性基板を発光素子の成長用基板に用いた場合でも、ワイヤーを用いずに上面側のｐ型半導体層及びｎ型半導体層との導通を得ることができる。

また、本発明の発光素子は、スルーホールに導電性材料が充填されていることが好ましい。すなわち、この発光素子では、導電性材料をスルーホールに充填しているので、スルーホール内を空洞にしている場合に比べて熱伝導率が向上し、上面側に配されたｐｎ接合面で発生した熱を効率良く基板側に伝達して逃がすことができ、高い放熱性により発光素子の寿命を向上させることができる。

本発明の発光ダイオードは、一対の配線パターンが形成された基板と、一対の配線パターン上にこれらに対応して一対の電極パターンを配して導電性接着材料で接着された上記本発明の発光素子と、発光素子の周囲を覆う封止樹脂部と、を備えていることを特徴とする。すなわち、この発光ダイオードでは、ワイヤーボンディングが不要である上記本発明の発光素子の周囲を封止樹脂部で覆っているので、封止樹脂部の高さを低く抑えることができ、パッケージ全体として薄型化及び小型化を図ることができる。

また、本発明の発光ダイオードは、発光素子が、青色発光ダイオード素子であり、封止樹脂部の少なくとも一部に、発光素子からの光を変換する蛍光体が混入されていることを特徴とする。すなわち、この発光ダイオードでは、青色発光ダイオード素子による青色発光が蛍光体により白色発光等に変換され、白色発光ダイオード等が得られる。したがって、この発光ダイオードでは、ｐｎ接合面を上面側に配してもワイヤーボンディングが不要であるため、ワイヤーや上面電極による青色発光の遮断が低減されると共に、ｐｎ接合面と蛍光体との距離が近いため、白色発光等への高い変換効率を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る発光素子及びこれを用いた発光ダイオードによれば、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層と電極パターンとをスルーホールを介して導通させることにより、ワイヤーボンディングを不要とすることが可能になり、パッケージ全体として薄型化及び小型化を図ることができると共に、効率的な光の変換及び出射を得ることができる。したがって、高輝度の発光ダイオードを、実装スペースが小さい又は薄型の筐体を有する機器に搭載することが可能になる。

以下、本発明に係る発光素子及びこれを用いた発光ダイオードの第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。

本実施形態の発光ダイオードは、図１の（ａ）に示すように、ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂが形成された基板１４と、ｐ型半導体層１５とｎ型半導体層１６とを積層してなるｐｎ接合面Ｊを上面側に有し、ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂ上にハンダ（導電性接着材料）Ｈで接着された発光素子２２と、該発光素子２２の周囲を覆う封止樹脂部６と、を備えている。

上記基板１４は、例えば略直方体形状のガラスエポキシ基板、ＢＴレジン基板、セラミックス基板やメタルコア基板等の絶縁性基板である。また、ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂは、発光素子２２との導通及びマザーボード等の外部基板に実装するための電極として、側面を介して表裏面にわたって形成されている。
上記発光素子２２は、例えばＧａＡｓ系半導体素子の赤外線発光ダイオード素子である。
また、発光素子２２は、シリコン基板等のｐ型半導体基板１７上にｐ型半導体層１５及びｎ型半導体層１６がこの順に成長されて形成され、略直方体形のチップ状とされたものである。この発光素子２２の下面には、ｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂに対応してｐ側電極パターン１１Ａ及びｎ側電極パターン１１Ｂが形成されている。

この発光素子２２には、ｎ型半導体層１６とｎ側電極パターン１１Ｂとを他の層に絶縁状態で電気的に導通させるｎ側スルーホール１８が形成されている。このｎ側スルーホール１８は、発光素子２２を上下に貫通しており、その内周面にＳｉＯ₂等の絶縁膜１９を介して金属のメッキ膜２０が形成されている。このメッキ膜２０の一端が上面に形成された上面電極１０まで達していると共に、他端が下面のｎ側電極パターン１１Ｂに達している。また、ｎ側スルーホール１８内には、Ａｇペースト（導電性材料）２１が充填されている。なお、ｐ側電極パターン１１Ａは、ｐ型半導体基板１７の下面に直接形成されている。

上記封止樹脂部６は、略直方体形状とされ、発光素子２２の発光波長に対して透明なエポキシ系やシリコーン樹脂等の樹脂材料で形成されている。
上記ｐ型半導体層１５及びｎ型半導体層１６は、単層ではなく組成や不純物濃度が異なる複数の半導体層からなる層である。

なお、図１の（ｂ）に示す発光ダイオードは、第１実施形態における他の例を示したものである。すなわち、この発光ダイオードでは、発光素子２２が、窒化物半導体素子の青色発光ダイオード素子であり、封止樹脂部６内に、発光素子２２を直接覆うＹＡＧ蛍光体入り樹脂７が配されている。この発光ダイオードでは、青色発光ダイオード素子の発光素子２２による青色発光がＹＡＧ蛍光体入り樹脂７により白色発光に変換され、外部に白色光が放射される。

このように本実施形態では、ｎ型半導体層１６とｎ側電極パターン１１Ｂとをｎ側スルーホール１８を介して導通させることにより、ｐｎ接合面Ｊを上面側に配しても上面でのワイヤーボンディングが不要となり、封止樹脂部６の高さを低く抑えることができると共に、ワイヤーによる光の遮断を無くすことができる。さらに、ワイヤーボンディング用のスペースを上面電極１０に設ける必要が無くなるので、上面電極１０を小さくすることができ、上面電極１０による光の遮断を低減することができると共に、パッケージサイズを小さくすることが可能になる。したがって、パッケージ全体として薄型化及び小型化を図ることができると共に、遮蔽物が少なく、効率的な光の変換及び出射を得ることができる。

また、Ａｇペースト２１をｎ側スルーホール１８に充填しているので、ｎ側スルーホール１８内を空洞にしている場合に比べて熱伝導率が向上し、上面側に配されたｐｎ接合面Ｊで発生した熱を効率良く基板１４側に伝達して逃がすことができ、高い放熱性により発光素子２２の寿命を向上させることができる。
また、図１の（ｂ）に示す他の例のように、ＹＡＧ蛍光体を用いた白色ＬＥＤでは、ワイヤーや上面電極１０による青色発光の遮断が低減され、ｐｎ接合面ＪとＹＡＧ蛍光体入り樹脂７との距離が近いため、白色発光への高い変換効率を得ることができる。

次に、本発明に係る発光素子及び発光ダイオードの第２実施形態を、図４から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では導電性のｐ型半導体基板１７を用いているため一つのｎ側スルーホール１８でｎ側配線パターン１３Ｂとの電気的接続を行っているのに対し、第２実施形態では、図４の（ａ）、図５及び図６に示すように、発光素子３２に形成されたｐ側スルーホール（第１のスルーホール）２８及びｎ側スルーホール（第２のスルーホール）１８の一対のスルーホールでｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂとの電気的接続が行われている点である。また、第１実施形態の発光素子２２は、ｐ型半導体基板１７上に各層が成長されているのに対し、第２実施形態の発光素子３２では、サファイヤ基板等の絶縁性基板３７上にｎ型半導体層１６及びｐ型半導体層１５がこの順で成長されている点でも異なっている。

すなわち、第２実施形態では、発光素子３２に、ｐ型半導体層１５及びｐ側電極パターン１１Ａとを他の層に絶縁状態で電気的に導通させるｐ側スルーホール２８と、ｎ型半導体層１６とｎ側電極パターン１１Ｂとを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させるｎ側スルーホール１８と、が形成されている。上記ｐ側スルーホール２８は、ｎ側スルーホール１８と同様に、発光素子３２を上下に貫通し、その内周面にＳｉＯ₂等の絶縁膜１９を介して金属のメッキ膜２０が形成されている。このメッキ膜２０の一端が上面に形成されたｐ側上面電極１０Ａまで達していると共に、他端が下面のｐ側電極パターン１１Ａに達している。

なお、ｐ側スルーホール２８内には、ｎ側スルーホール１８と同様に、Ａｇペースト（導電性材料）２１が充填されている。
また、ｐ側電極パターン１１Ａ及びｎ側電極パターン１１Ｂとｐ側配線パターン１３Ａ及びｎ側配線パターン１３Ｂとは、バンプ８によって接着され、電気的に接続される。なお、バンプ８は、ハンダバンプやＡｕバンプ等が用いられる。

上面に配されるｎ型半導体層１６は、表面にｎ側上面電極１０Ｂが形成されていると共に、図５に示すように、ｐ型半導体層１５の一部が露出するようにパターニングされてエッチングにより除去されている。この露出したｐ型半導体層１５の表面にｐ側上面電極１０Ａが形成されている。なお、ｐ側上面電極１０Ａ及びｎ側上面電極１０Ｂは、充分な電気的導通が得られる最小面積で形成され、互いに発光素子３２の対抗する角部の近傍に配されている。

なお、図４の（ｂ）に示す発光ダイオードは、第２実施形態における他の例を示したものである。すなわち、第１実施形態の他の例と同様に、この発光ダイオードでは、発光素子３２が、窒化物半導体素子の青色発光ダイオード素子であり、封止樹脂部６内に、発光素子３２を直接覆うＹＡＧ蛍光体入り樹脂７が配されている。この発光ダイオードでは、青色発光ダイオード素子の発光素子３２による青色発光がＹＡＧ蛍光体入り樹脂７により白色発光に変換され、外部に白色光が放射される。

したがって、本実施形態では、ｐ側スルーホール２８とｎ側スルーホール１８とで、ｐ型半導体層１５及びｎ型半導体層１６とｐ側電極パターン１１Ａ及びｎ側電極パターン１１Ｂとのそれぞれの電気的接続を行うことにより、サファイヤ基板等の絶縁性基板３７を発光素子３２の成長用基板に用いた場合でも、ワイヤーボンディングを用いずに上面側のｐ型半導体層１５及びｎ型半導体層１６との導通を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記各実施形態では、発光素子２２，３２として赤外線ＬＥＤ又は青色ＬＥＤを採用したが、他の波長のＬＥＤ、例えば赤色ＬＥＤや緑色ＬＥＤを採用しても構わない。なお、上述したように、青色ＬＥＤを採用して青色光をＹＡＧ蛍光体入り樹脂７により白色光に変換させる白色ＬＥＤに、特に本発明は好適である。
また、導電性接着材料としてハンダＨを用いているが、他の導電性接着材料、例えばＡｇペースト２１等を用いても構わない。

本発明に係る第１実施形態の発光ダイオード及び他の例の発光ダイオードを示す断面図である。 本発明に係る第１実施形態において、発光ダイオードを示す要部斜視図である。 本発明に係る第１実施形態において、発光素子を示す断面図である。 本発明に係る第２実施形態の発光ダイオード及び他の例の発光ダイオードを示す断面図である。 本発明に係る第２実施形態において、発光ダイオードを示す要部斜視図である。 本発明に係る第２実施形態において、発光素子を示す断面図である。 本発明に係る従来例において、１本のワイヤーを用いた発光ダイオードを示す断面図及び発光素子を示す斜視図である。 本発明に係る従来例において、２本のワイヤーを用いた発光ダイオードを示す断面図及び発光素子を示す斜視図である。 本発明に係る従来例において、バンプを用いた発光ダイオードを示す断面図及び発光素子を示す斜視図である。

符号の説明

６…封止樹脂部、７…ＹＡＧ蛍光体入り樹脂、１１Ａ…ｐ側電極パターン、１１Ｂ…ｎ側電極パターン、２、１２、２２、３２…発光素子、１３Ａ…ｐ側配線パターン、１３Ｂ…ｎ側配線パターン、１４…基板、１５…ｐ型半導体層、１６…ｎ型半導体層、１８…ｎ側スルーホール（第２のスルーホール）、２１…Ａｇペースト（導電性材料）、２８…ｐ側スルーホール（第１のスルーホール）、Ｈ…ハンダ（導電性接着材料）、Ｊ…ｐｎ接合面

Claims (5)

1. ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを積層してなるｐｎ接合面を上面側に有し、下面に一対の電極パターンが形成された発光素子であって、
   前記ｐ型半導体層又は前記ｎ型半導体層と前記一対の電極パターンのうち一つとを、他の層とは絶縁状態で電気的に導通させるスルーホールが形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層のうち一方と前記一対の電極パターンの一方とを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させる第１のスルーホールと、
   前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層のうち他方と前記一対の電極パターンの他方とを他の層とは絶縁状態で電気的に導通させる第２のスルーホールと、が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記スルーホールには、導電性材料が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 一対の配線パターンが形成された基板と、
   前記一対の配線パターン上にこれらに対応して一対の電極パターンを配して導電性接着材料で接着された請求項１から３のいずれか一項に記載の発光素子と、
   前記発光素子の周囲を覆う封止樹脂部と、を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
5. 前記発光素子が、青色発光ダイオード素子であり、
   前記封止樹脂部の少なくとも一部に、前記発光素子からの光を変換する蛍光体が混入されていることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。

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