JP2007180111A

JP2007180111A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007180111A
Application number: JP2005374135A
Authority: JP
Inventors: Takenori Yasuda; 剛規安田
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】色ムラの発生を防ぐと共に、色度の調整を高精度に行うことができる発光装置を提供する。
【解決手段】基板５上にｎ型半導体層６、発光層７及びｐ型半導体層８がこの順で積層されてなる窒化物系半導体を有し、ｎ型半導体層６に接続される第１の電極パッド９と、ｐ型半導体層８に接続される第２の電極パッド１０とが、それぞれ基板５とは反対側に配置された発光素子２と、第１の電極パッド９と第１のボンディングワイヤー１３を介して電気的に接続された第１の電極リード１１と、第２の電極パッド１０と第２のボンディングワイヤー１３を介して電気的に接続された第２の電極リード１２とを有するリードフレーム３と、発光素子２の基板５とは反対側の面に発光素子２の発光分布に応じて配置された蛍光樹脂層１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの発光素子を用いた発光装置に関する。

近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子と、この発光素子が発する青色光に励起されて黄色光を発する蛍光体とを組み合わせて、白色光を得ることができる発光装置が提案されている（例えば特許文献１，２を参照。）。例えば、特許文献１に記載される発光装置では、蛍光体を含有した樹脂が発光素子を被覆するように構成されている。
特許２９００９２８号公報特開２００４−３６３３４３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載される発光装置では、樹脂が硬化するまでの間に蛍光体が沈降したり、偏積したりすることによって、発色に色ムラが生じることがあった。したがって、このような色ムラを無くし、所定の色度を得るためには、大量の蛍光体を樹脂に含有させる必要がある。また、蛍光体が沈降しないようにチクソ剤を樹脂に含有させた場合には、このチクソ剤の影響により輝度が低下することもある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、色ムラの発生を防ぐと共に、色度の調整を高精度に行うことができる発光装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、発光素子の発光分布に合わせて蛍光体を配置することにより、色ムラの発生を防ぐだけでなく、色度（ｘｙ色度座標）の調整を高精度に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の手段を提供する。
（１）基板上にｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がこの順で積層されてなる窒化物系半導体を有し、前記ｎ型半導体層に接続される第１の電極パッドと、前記ｐ型半導体層に接続される第２の電極パッドとが、それぞれ前記基板とは反対側に配置された発光素子と、前記第１の電極パッドと第１のボンディングワイヤーを介して電気的に接続された第１の電極リードと、前記第２の電極パッドと第２のボンディングワイヤーを介して電気的に接続された第２の電極リードとを有するリードフレームと、前記発光素子が発する第１の波長の光に励起されて、この第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する蛍光体を含有し、少なくとも前記発光素子の前記基板とは反対側の面に前記発光素子の発光分布に応じて配置された蛍光樹脂層とを備えることを特徴とする発光装置。
（２）前記蛍光樹脂層は、前記第１の電極パッドと前記第１のボンディングワイヤーとの接点の周辺領域に配置されていることを特徴とする前項（１）に記載の発光装置。
（３）前記蛍光樹脂層は、前記第１の電極パッドと前記第１のボンディングワイヤーとの接点と、前記第２の電極パッドと前記第２のボンディングワイヤーとの接点との間の領域に亘って配置されていることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の発光装置。

以上のように、本発明に係る発光装置では、発光素子の基板とは反対側の面に蛍光樹脂層を該発光素子の発光分布に応じて配置することによって、色ムラの発生を防ぐだけでなく、色度（ｘｙ色度座標）の調整を高精度に行うことができる。

以下、本発明を適用した発光装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明を適用した発光装置１の一例を示す断面図であり、図２は、図１に示す発光装置の平面図である。
この発光装置１は、図１及び図２に示すように、光源となる発光素子２と、この発光素子２が取り付けられたリードフレーム３とを備え、これらがパッケージ４内に封止された構造を有している。

発光素子２は、基板５上にｎ型半導体層６、発光層７及びｐ型半導体層８がこの順で積層されてなる窒化物半導体によって形成された青色ＬＥＤチップである。

具体的に、基板５としては、例えばサファイア単結晶（Ａｌ₂Ｏ₃；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）や、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ₂などのホウ化物単結晶などの基板材料を用いることができ、これらの中でもサファイア単結晶又はＳｉＣ単結晶を用いることが好ましい。

そして、この基板５上には、通常はバッファ層を介して、窒化物系半導体からなるｎ型半導体層６、発光層７及びｐ型半導体層８が順次積層されている。なお、使用する基板５やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層が不要となる場合もある。

窒化物系半導体としては、例えば、一般式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-AＭ_A（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１（但し、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）、０≦Ａ＜１、Ｍは、窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素）で表わされる窒化物系半導体を用いることができる。また、窒化物系半導体は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎ以外に、他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｂなどの元素を１種又は２種以上含有させることもできる。なお、窒化物半導体は、これらの添加元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。

窒化物系半導体の成長方法は、特に限定されず、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）や、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、など窒化物系半導体を成長させることが知られている全ての方法を用いることができる。

具体的に、ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして、例えば水素（Ｈ₂）又は窒素（Ｎ₂）、III族原料であるＧａ源として、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源として、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）又はトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源として、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）又はトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源として、例えばアンモニア（ＮＨ₃）、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）などを用いることができる。また、ドーパントとしては、ｎ型には、Ｓｉ原料として、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）又はジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を、Ｇｅ原料として、例えばゲルマンガス（ＧｅＨ₄）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ₃）₄Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ₂Ｈ₅）₄Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を用いることができる。
ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として用いることができる。ｐ型には、Ｍｇ原料として、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）又はビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ₂Ｍｇ）を用いることができる。
なお、窒化物系半導体の好ましい成長方法としては、膜厚制御性及び量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。

ｎ型半導体層６は、通常、下地層、ｎコンタクト層及びｎクラッド層から構成される。また、ｎコンタクト層は、下地層及び／又はｎクラッド層を兼ねることができる。下地層は、Ａｌ_XＧａ_1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましく、その膜厚は、０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。このような膜厚によって結晶性の良好なＡｌ_XＧａ_1―XＮ層を得ることができる。

下地層には、ｎ型不純物を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³の範囲内であればドープしてもよいが、アンドープ（＜１×１０¹⁷／ｃｍ³）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉや、Ｇｅ、Ｓｎ等を用いることができ、好ましくはＳｉ又はＧｅである。
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃の範囲で調整することが好ましく、さらに好ましくは１０００〜１２００℃の範囲である。この成長温度範囲内で下地層を成長させれば、結晶性の良いものを得ることができる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は、１５〜４０ｋＰａの範囲で調整することが好ましい。

ｎコンタクト層としては、下地層と同様にＡｌ_XＧａ_1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層には、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³、好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持などの点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉや、Ｇｅ、ｎ等を用いることができ、好ましくはＳｉ又はＧｅである。成長温度は下地層と同様である。

ｎコンタクト層を構成する窒化物系半導体は、下地層と同一組成であることが好ましく、ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚を１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは３〜１２μｍの範囲に設定する。ｎコンタクト層と下地層との合計の膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。

ｎコンタクト層と発光層３との間には、ｎクラッド層を設けることが好ましい。この婆、ｎコンタクト層の表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできる。ｎクラッド層は、例えばＡｌＧａＮや、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどにより形成することができる。また、これらは、ヘテロ接合構造や、複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎクラッド層をＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。

ｎクラッド層の膜厚は、０．００５〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は、１×１０¹⁷〜１×１０²⁰／ｃｍ³が好ましく、より好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³である。ドープ濃度が上記範囲にあると、良好な結晶性の維持及び素子の動作電圧低減などの点で好ましい。

発光層７としては、Ｇａ_1-sＩｎ_sＮ（０＜ｓ＜０．４）で表される単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の窒化物系半導体を用いることが好ましい。発光層３の膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、すなわち臨界膜厚とすることが好ましく、例えば１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。発光層３の膜厚が上記範囲にあると、発光出力の点で好ましい。

また、発光層７は、上述したＳＱＷ構造の他にも、Ｇａ_1-sＩｎ_sＮを井戸層とし、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ_cＧａ_1-cＮ（０≦ｃ＜０．３、ｂ＞ｃ）を障壁層とした多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層及び障壁層には、不純物をドープしてもよい。

障璧層の成長温度は、７００℃以上とすることが好ましく、さらに好ましくは８００〜１１００℃であり、この範囲で成長させると、結晶性が良好となる。井戸層の成長温度は、６００〜９００℃が好ましく、より好ましくは７００〜９００℃である。また、ＭＱＷの結晶性を良好にするためには、層間で成長温度を変化させることが好ましい。

ｐ型半導体層８は、通常、ｐクラッド層及びｐコンタクト層から構成される。また、ｐコンタクト層は、ｐクラッド層を兼ねることができる。ｐクラッド層としては、発光層７のバンドギャップエネルギーより大きい組成からなり、発光層８へのキャリアの閉じ込めができるものが好ましくは、例えばＡｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）で表される窒化物半導体を用いることができる。

ｐクラッド層の膜厚は、１〜４００ｎｍが好ましく、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³が好ましく、より好ましくは１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。

ｐコンタクト層としては、少なくともＡｌ_eＧａ_1-eＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含む窒化物系半導体を用いることが好ましい。Ａｌの組成が上記範囲にあると、良好な結晶性の維持及びｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層には、ｐ型不純物がドープされていることが好ましく、ｐ型不純物を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³、より好ましくは５×１０¹⁹〜５×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で含有すると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇ等を用いることができる。ｐコンタクト層の膜厚は、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。

この発光素子２には、正極としてｎ型半導体層６に接続される第１の電極パッド９と、負極としてｐ型半導体層８に接続される第２の電極パッド１０とが、それぞれ基板５とは反対側に位置して設けられている。
具体的に、第１の電極パッド９は、ｐ型半導体層８上に配置され、一方、第２の電極パッド１０は、発光層７及びｐ型半導体層８の一部を除去してｎ型半導体層３を露出させた部分に配置されている。これにより、発光素子２は、いわゆるフェイスアップ方式による実装が可能となっている。また、これら第１の電極パッド９及び第２の電極パッド１０は、図１に示すように、矩形状にカッティングされた発光素子３の相対する二辺の中間位置に対向配置されている。なお、第１の電極パッド９及び第２の電極パッド１０は、発光素子３の相対する角部に対向配置させてもよい。
第１の電極パッド９及び第２素子電極２には、例えばＡｕや、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕなどを用いることができる。

リードフレーム３は、図１に示すように、上述した発光素子２に外部からの電力を供給するためのものであり、第１の電極パッド９と接続される第１の電極リード１１と、第２の電極パッド１０と接続される第２の電極リード１２とを有している。
第１の電極リード１１及び第２の電極リード１２は、その一端がパッケージ４の内側に臨むと共に、その他端がパッケージ４の外側に臨んで配置されている。また、第１の電極リード１１には、発光素子２が配置されるマウント部１１ａが一体に設けられている。これら第１の電極リード１１及び第２の電極リード１２には、例えば他元素が微量添加されたＣｕ合金やＦｅ合金等を用いることができる。

そして、この発光装置１では、マウント１１ｃ上に発光素子２が固定されると共に、第１の電極パッド９と第１の電極リード１１の内側端子部１１ａとが第１のボンディングワイヤー１４を介して電気的に接続されると共に、第２の電極パッド１０と第２の電極リード１２とが第２のボンディングワイヤー１５を介して電気的に接続されている。これら第１のボンディングワイヤー１４及び第２のボンディングワイヤー１５には、例えば金（Ａｕ）線などを用いることができる。

パッケージ４は、発光素子２及びリードフレーム３を外部環境から保護するためのものである。このパッケージ４には、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性の樹脂材料を用いることができる。なお、発光装置１は、このような砲弾型に限らず、チップ型とすることもできる。また、複数の発光素子２が搭載された構成であってもよい。

ところで、本発明を適用した発光装置１では、図１及び図２に示すように、発光素子２が発する第１の波長の光（青色光）に励起されて、この第１の波長とは異なる第２の波長の光（黄色光）を発する蛍光体を含有する蛍光樹脂層１５を備えている。

この蛍光樹脂層１５は、少なくとも発光素子２の基板５とは反対側の面に、この発光素子２の発光分布に応じて配置されている。具体的に、この蛍光樹脂層１５は、第１の電極パッド８と第１のボンディングワイヤー１３との接点の周辺領域に配置された第１の蛍光樹脂層１５ａと、第１の電極パッド８と第１のボンディングワイヤー１３との接点と、第２の電極パッド１０と第２のボンディングワイヤー１４との接点との間の領域に亘って配置された第２の蛍光樹脂層１５ｂとを有している。
蛍光樹脂層１５ｂには、蛍光体として、例えば、酸化物や硫化物、窒化物、酸窒化物などの無機蛍光体、又は、クマリンやローダミンなどの有機蛍光体などを用いることができる。また、この蛍光体を含有する樹脂として、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性の樹脂材料を用いることができる。

このような蛍光樹脂層１５は、例えばフォトリソグラフィー法や印刷法などを用いて、発光素子２の基板５とは反対側の面上にパターン形成することができる。
このうち、フォトリソグラフィー法では、マスクのパターンに従ってレジストを除去した部分に、上述した蛍光体を含有する樹脂を注入し、硬化させた後に、残りのレジストを除去することによって、所定の形状にパターニングされた蛍光樹脂層１５を形成することができる。
一方、印刷法では、発光素子１の基板５とは反対側の面上に位置合わせしたマスクの孔部を通してスキージにより蛍光体を含有する樹脂を選択的に塗布し、樹脂を硬化させることによって、所定の形状にパターニングされた蛍光樹脂層１５を形成することができる。

また、第１の蛍光樹脂層１５ａと第２の蛍光樹脂層１５ｂとは、発光素子２上に積層される回数によって塗り分けられている。具体的に、この発光装置１では、第２の蛍光樹脂層１５ｂをパターン形成した領域の上に、更に第１の蛍光樹脂層１５ａをパターン形成している。なお、蛍光樹脂層１５は、例えば、層状、ストライプ状、格子状、同心円状、ドット状、或いはこれらの形状を少なくとも二種以上組み合わせることによって、後述する発光素子２の配光分布に応じた塗布パターンの変更が可能となっている。

以上のような構造を有する発光装置１では、発光素子２が発する青色光と、この発光素子２が発する青色光に蛍光体が励起されて蛍光樹脂層１５が発する黄色光との混色によって、白色光を発光させることができる。

ここで、発光素子２の発光分布は、素子面内で一様ではなく、特に、第１の電極パッド８と第１のボンディングワイヤー１３との接点の周辺領域、すなわち第１の蛍光樹脂層１５ａが配置された領域において輝度が最も高くなっている。また、第１の電極パッド８と第１のボンディングワイヤー１３との接点と、第２の電極パッド１０と第２のボンディングワイヤー１４との接点との間の領域、すなわち第２の蛍光樹脂層１５ｂが配置された領域でも輝度が高くなっている。

本発明を適用した発光装置１では、このような輝度の高い領域に蛍光樹脂１５を選択的に配置することで、色ムラの発生を効率よく防ぐことができる。また、発光素子２の発光分布に応じて、上述した蛍光樹脂層１５のパターン配置をシミュレーション設計等により最適化できるため、この発光装置１が発する光の色度（ｘｙ色度座標）調整を高精度に行うことができる。さらに、従来に比べて波長変換に必要な蛍光体の量を低減することができる。

なお、上記発光装置１では、発光素子２の基板５とは反対側の面以外にも、例えば発光素子２の側面に上記蛍光樹脂層１５を配置することもできる。
また、上記発光装置１では、上述したパッケージ４を構成する樹脂内にも上記蛍光体を含有させることもできる。

図１は、本発明を適用した発光装置の一例を示す断面図である。図２は、図１に示す発光装置の平面図である。

符号の説明

１…発光装置２…発光素子３…リードフーレム４…パッケージ５…基板６…ｎ型半導体層７…発光層８…ｐ型半導体層９…第１の電極パッド１０…第２の電極パッド１１…第１の電極リード１２…第２の電極リード１３…第１のボンディングワイヤー１４…第２のボンディングワイヤー１５…蛍光樹脂層１５ａ…第１の蛍光樹脂層１５ｂ…第２の蛍光樹脂層

Claims

基板上にｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がこの順で積層されてなる窒化物系半導体を有し、前記ｎ型半導体層に接続される第１の電極パッドと、前記ｐ型半導体層に接続される第２の電極パッドとが、それぞれ前記基板とは反対側に配置された発光素子と、
前記第１の電極パッドと第１のボンディングワイヤーを介して電気的に接続された第１の電極リードと、前記第２の電極パッドと第２のボンディングワイヤーを介して電気的に接続された第２の電極リードとを有するリードフレームと、
前記発光素子が発する第１の波長の光に励起されて、この第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する蛍光体を含有し、少なくとも前記発光素子の前記基板とは反対側の面に前記発光素子の発光分布に応じて配置された蛍光樹脂層とを備えることを特徴とする発光装置。
前記蛍光樹脂層は、前記第１の電極パッドと前記第１のボンディングワイヤーとの接点の周辺領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記蛍光樹脂層は、前記第１の電極パッドと前記第１のボンディングワイヤーとの接点と、前記第２の電極パッドと前記第２のボンディングワイヤーとの接点との間の領域に亘って配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。