JP2007519221A - 半導体発光装置、発光モジュール、および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる色の発光素子の組み合わせからなる半導体発光装置において、色むらの低減を図ること。
【解決手段】ＬＥＤチップアレイ（２）は、青色ＬＥＤ（６）と赤色ＬＥＤ（８）を有する。青色ＬＥＤ（６）は、ＳｉＣ基板（４）上に結晶成長によって形成されている。ＳｉＣ基板（４）上には、半導体プロセスによるボンディングパッド（４６）、（４８）が形成されている。赤色ＬＥＤ（８）は、青色ＬＥＤ（６）とは別途に作製され、前記ＳｉＣ基板（４）上の前記ボンディングパッド（４６）、（４８）にフリップチップ実装されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光装置、発光モジュール、および照明装置に関し、特に、異なる色の光を発する発光体を組み合わせ、混色によって所望の色の光を発光する半導体発光装置、並びに、これを用いた発光モジュールおよび照明装置に関する。

半導体発光装置の一種である発光ダイオード（以下「ＬＥＤ（Ｌight Ｅmitting Ｄiode）」と言う。）の分野において、近年、白色ＬＥＤの高輝度化が進むにつれ、当該白色ＬＥＤを照明用途に用いる研究が活発になされている。点光源であるＬＥＤは、中でもその特性から店舗、美術館、ショールームなどのスポット照明として、従来普及しているハロゲン電球等の代替光源としての用途が期待されている。

現在普及している白色ＬＥＤは、青色光を発するＬＥＤチップとその青色光で黄色に励起発光する蛍光体（Ｃｅ：ＹＡＧなど）とで構成されている。
しかし、上記白色ＬＥＤは、赤色成分が不足しているため、その色温度の下限は４０００Ｋに止まり、色温度が３０００Ｋであるハロゲン電球の代替光源としては不適である。
ここで、赤色成分を補って、色温度３０００Ｋ以下を実現できる可能性のある白色ＬＥＤとして、下記のものが知られている。
（１）紫色（波長：３８０〜４１０ｎｍ）ＬＥＤチップと、青色、緑色、赤色の３つの蛍光体とを組み合わせたもの（例えば、特許文献１を参照。）。
（２）紫外（波長：３８０ｎｍ未満）ＬＥＤチップと青色、緑色、赤色の３つの蛍光体とを組み合わせたもの。
（３）青色ＬＥＤチップと緑色、赤色の２つの蛍光体とを組み合わせたもの（例えば、特許文献２を参照。）。
（４）青色、緑色、赤色の３つのＬＥＤチップを組み合わせたもの（例えば、特許文献３を参照。）。
（５）青色と赤色の２つのＬＥＤチップと緑色の蛍光体とを組み合わせたもの（例えば、特許文献４を参照。）。
特開２００２−１８８０８４号公報 特開２００２−６０７４７号公報 特開平９−６４４２０号公報 特開２０００−２２３７４５号公報

しかしながら、上記（１）〜（５）の白色ＬＥＤの内、（１）〜（３）のもの、すなわち蛍光体に赤色のものを用いる白色ＬＥＤは、当該赤色蛍光体の色変換効率が低いため、現在、どの分野においても実用化には至っていない。
また、（４）、（５）のもの、すなわち、異なる色を発するＬＥＤチップを複数個組み合わせた白色ＬＥＤは、色むらが激しいため、現在、照明用としては実用化に至っていない。すなわち、これらＬＥＤチップは、一般的に、プリント配線板上に実装されて用いられるのであるが、エッチングで形成される配線パターンの形成技術上の制約から、ＬＥＤチップ間には相当の間隔を空けざるを得ず、そのため混色性が悪くなるからである。

これに対処するため、前記プリント配線板に代えて、半導体プロセスによって形成された配線パターンを有する、高密度実装が可能なＳｉＣ基板等を用いることも考えられるが、この場合でも、全てのＬＥＤチップを実装する工程が必要となる。
なお、上記した色むらの問題は、白色ＬＥＤに限らず、異なる色の発光体を組み合わせて所望の発光色を得ようとする半導体発光装置全般に共通するものである。

上記した課題に鑑み、本発明の第１の目的は、異なる色の発光体の組み合わせからなる半導体発光装置であって、生産性を向上できると共に、色むらの低減が可能な半導体発光装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、そのような半導体発光装置を用いた発光モジュールおよび照明装置を提供することにある。

上記第１の目的は、基板と、前記基板上に半導体プロセスの結晶成長工程において形成されてなる第１発光体と、前記基板上に半導体プロセスの配線工程において形成されてなる導電パターンと、前記第１発光体とは異なる色の光を発する発光体であって前記基板の前記導電パターンに実装されている第２発光体と、を有する半導体発光装置によって達成される。

上記第２の目的は、上記の半導体発光装置を有する発光モジュールおよび照明装置によって達成される。

上記構成の半導体発光装置によれば、前記結晶成長工程において形成された導電パターンに第２発光体が実装されているので、基板上に前記結晶成長によって形成された第１発光体を含めて高精度（高密度）な配置が可能となる関係上、両発光体から発せられる光の混色性が向上し、もって色むらの低減を図ることができる。また、第１発光体の実装工程が不要となるので、その分の生産性を向上することが可能となる。

また、上記構成の発光モジュールおよび照明装置によれば、上記したのと同じ理由により、生産性を向上できると共に、色むらの低減を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、半導体発光装置であるＬＥＤアレイチップ２の概略構成を示す外観斜視図であり、図１（ｂ）は、ＬＥＤアレイチップ２の平面図である。なお、図１（ａ）は、後述する青色ＬＥＤ６と赤色ＬＥＤ８の配列を主に示す図であり、外形の細かな凹凸などは省略したものである。また、図１（ａ）、（ｂ）を含む全ての図において、各構成要素間の縮尺は統一していない。

図１に示すように、ＬＥＤアレイチップ２は、半導体基板であるノンドープ（高抵抗）ＳｉＣ基板４（以下、単に「ＳｉＣ基板４」と言う。）上に、発光素子であるＬＥＤ６…、８…が、Ｎ行Ｍ列（本例では、７行５列、合計３５個）のマトリックス状に配列されてなるものである。
この内、図１（ａ）において、符号「８」で示す少し突出している一群のＬＥＤが赤色ＬＥＤ（合計１４個）であり、それ以外のＬＥＤが青色ＬＥＤ（合計２１個）である。後で詳述するように、青色ＬＥＤ６はＳｉＣ基板４上に結晶成長によって形成されたものであり、赤色ＬＥＤ８は、別途作成されたベアチップがＳｉＣ基板４上に実装されたものである。青色ＬＥＤ６のサイズＬ１×Ｗ１は２８５μｍ×４００μｍであり、ＬＥＤアレイチップ２のサイズＬ２×Ｗ２は２ｍｍ×２ｍｍである。また、赤色ＬＥＤのサイズＬ３×Ｗ３は２５０μｍ×３５０μｍである。

青色ＬＥＤ６と赤色ＬＥＤ８の構成について、断面図を参照しながら説明する。
図２（ａ）は、図１（ｂ）におけるＡ・Ａ線断面図である。
青色ＬＥＤ６は、ＳｉＣ基板４上に順次積層されたｎ-ＡｌＧａＮバッファ層１２（厚さ３０ｎｍ）、ｎ-ＧａＮクラッド層１４（Ｓｉドープ量３×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）、ＩｎＧａＮ（厚さ２ｎｍ）/ＧａＮ（厚さ８ｎｍ）６周期の多重量子井戸発光層１６、ｐ−ＧａＮクラッド層１８（Ｍｇドープ量３×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ２００ｎｍ）、ｐ-ＧａＮコンタクト層２０（Ｍｇドープ量３×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ２００ｎｍ）から成る。

ｐ-ＧａＮコンタクト層２０上には、Ｎｉ/Ａｕ薄膜２２を介してＩＴＯ透明電極２４が形成されており、ｎ−ＧａＮクラッド層１４上にはＴｉ/Ａｕ電極２６が形成されている。
上記の構成からなる青色ＬＥＤ６において、ＩＴＯ透明電極２４とＴｉ／Ａｕ電極２６を介して給電することにより、発光層１６から波長４６０ｎｍの青色光が発せられる。なお、本実施の形態でＮｉ/Ａｕ薄膜２２とＩＴＯ透明電極２４を用いているのは、発光層１６で生じた光を透過し易くするためである。

赤色ＬＥＤ８は、ＳｉＣ基板４上にフリップチップ実装されてなるものであり、ＩｎＰ基板２８上に順次積層されたｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０（Ｚｎドープ量１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ２００ｎｍ）、ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層３２（Ｚｎドープ量１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ６００ｎｍ）、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５Ｐ（厚さ３ｎｍ）/Ａｌ_０．１Ｇａ_０．４Ｉｎ_０．５Ｐ（厚さ５ｎｍ）５周期の多重量子井戸発光層３４、ｎ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層３６（Ｓｉドープ量１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１．５μｍ）、ｎ−ＧａＩｎＰコンタクト層３８（Ｓｉドープ量１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ２００ｎｍ）から成る。

ｎ−ＧａＩｎＰコンタクト層３８上には、Ｎｉ／Ａｌ電極４０が形成されており、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０上にはＮｉ／Ａｕ電極４２が形成されている。
上記の構成からなる赤色ＬＥＤ８において、Ｎｉ／Ａｌ電極４０とＮｉ／Ａｕ電極４２を介して給電することにより、発光層３４から波長６２５ｎｍの赤色光が発せられる。その際、Ｎｉ／Ａｌ電極４０は、発光層３４からの光をＩｎＰ基板２８側に反射する。これにより、光取り出し効率が改善される。

赤色ＬＥＤ８の各実装位置に対応するＳｉＣ基板４上には、絶縁膜（層）であるＳｉ_３Ｎ_４膜４４を介して一対のボンディングパッド４６，４８がそれぞれ形成されている。赤色ＬＥＤ８の実装において、Ｎｉ／Ａｌ電極４０とボンディングパッド４６とがＡｕバンプ５０を介して接合され、Ｎｉ／Ａｕ電極４２とボンディングパッド４８とＡｕバンプ５２を介して接合される。赤色ＬＥＤ８は、フリップチップ実装することにより、発光層３４がＳｉＣ基板４に近くなり、当該発光層３４で生じた熱をＳｉＣ基板４へ放散しや易くなる。ＳｉＣ基板は、金属と同等以上の熱伝導率を有しており、青色ＬＥＤ６及び赤色ＬＥＤ８で生じた熱を後述するセラミックス基板に効率よく伝え、放散することができる。

ボンディングパッド４６から延設されているブリッジ配線５４が、青色ＬＥＤ６のＩＴＯ透明電極２４と接続されている。また、ボンディングパッド４８から延設されているブリッジ配線５６が、隣接する青色ＬＥＤ（図２（ａ）には現れていない。）のＴｉ/Ａｕ電極（図２（ａ）には現れていない。）と接続されている。ブリッジ配線によるＬＥＤ間の接続によって、図２（ｂ）に示すように、３５個全てのＬＥＤが直列に接続されている。図２（ｂ）では、青色ＬＥＤ６を黒抜きのダイオード記号で、赤色ＬＥＤ８を白抜きのダイオード記号で表している。なお、隣接するＬＥＤが青色ＬＥＤ同士の場合、例えば、図１（ａ）における青色ＬＥＤ６Ａ、６Ｂの場合には、青色ＬＥＤ６ＡのＩＴＯ透明電極２４と青色ＬＥＤ６ＢのＴｉ／Ａｕ電極２６とがブリッジ配線５８（図２（ａ）参照。）によって接続される。

上記したブリッジ配線５４，５６，５８やボンディングパッド４６，４８は、後述するように半導体プロセスにおいて形成されるので、プリント配線板上にエッチングなどによって形成する場合と比較して、非常に高精度なものができる。その結果、青色ＬＥＤ６と赤色ＬＥＤ８の間隔を一層短くすることが可能となり、両ＬＥＤから発せられる光の混色性が向上して、色むらの低減が図られる。

ＬＥＤアレイチップ２において、直列接続された青色ＬＥＤ６と赤色ＬＥＤ８の内、低電位側末端の青色ＬＥＤ６Ｃ（図１参照）のＴｉ／Ａｕ電極２６が当該ＬＥＤアレイチップ２のカソード電極となる。また、高電位側末端の青色ＬＥＤ６Ｄにおいて、ＩＴＯ透明電極の一部の上に形成されたＴｉ／Ａｕから成るボンディングパッド５９がＬＥＤアレイチップ２のアノード電極となる。ＩＴＯ透明電極２４をアノード電極としないのは、ＩＴＯ透明電極では、ＬＥＤアレイチップ２を実装する際のボンディングワイヤーの接合性が悪いからである。

また、ＳｉＣ基板４の下面全面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜６０が形成されている。
以上の構成からなるＬＥＤアレイチップ２において、上記アノード電極と上記カソード電極を介し、放熱を確保した状態で５０ｍＡの電流を通電した際の動作電圧は１００Ｖであった。
次に、ＬＥＤアレイチップ２の半導体プロセスによる製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。なお、図３〜図５では、ＬＥＤアレイチップ２の各構成部分となる素材部分には１００番台の符号付し、その下２桁にはＬＥＤアレイチップ２の対応する構成部分に付した番号を用いることとする。半導体プロセスには、半導体多層膜を形成する結晶成長工程や電極、パッド、配線等を形成する配線工程等が含まれる。

先ず、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition Method；ＭＯＣＶＤ法）を用い、図３に示すように、ノンドープＳｉＣ基板１０４上に、ｎ-ＡｌＧａＮバッファ層１１２、ｎ-ＧａＮクラッド層１１４、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ６周期の多重量子井戸発光層１１６、ｐ−ＧａＮクラッド層１１８、ｐ-ＧａＮコンタクト層１２０の順に積層する（工程Ａ１）。なお、ノンドープＳｉＣ基板１０４は、直径２インチ、厚さ３００μｍの基板である。

次に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２０表面にマスク６２を施す。マスキング領域は、各青色ＬＥＤ６におけるＮｉ/Ａｕ薄膜２２（ＩＴＯ透明電極２４）の形成予定領域よりも一回り広い領域である。そして、非マスキング領域に対応する部分を、ｎ−ＧａＮクラッド層１１４の半ばまでエッチングにより除去する（工程Ｂ１）。これにより、Ｔｉ/Ａｕ電極２６接続面（電極形成面）６４が形成される。マスク６２は、次工程に行く前に除去される。

各青色ＬＥＤ６となる部分にマスク（不図示）を形成した後、ＳｉＣ基板１０４が現れるまでエッチングする（工程Ｃ１）。これにより、ｎ-ＡｌＧａＮバッファ層１１２〜ｐ-ＧａＮコンタクト層１２０が個々の青色ＬＥＤごとに分割されると共に、赤色ＬＥＤ８の実装領域（実装空間）６６が確保される。なお、この際、縦横に隣接することとなる青色ＬＥＤ間にも所定の間隔が空けられる。マスクは、次工程の前に除去される。

スパッタリング等で、絶縁膜であるＳｉ_３Ｎ_４膜６８を形成する（工程Ｄ１）。Ｓｉ_３Ｎ_４膜６８は、ＬＥＤアレイチップ２の表面を保護すると共に、ブリッジ配線やボンディングパッド等を不要な構成部材から絶縁する目的で形成されるものである。
上記Ｓｉ_３Ｎ_４膜６８に対し、マスク７０を施す。マスキング領域は、Ｎｉ/Ａｕ薄膜２２（ＩＴＯ透明電極２４）形成予定領域以外の領域である。そして、非マスキング領域に対応するＳｉ_３Ｎ_４膜６８をエッチングにより除去した後、Ｎｉ/Ａｕ薄膜１２２とＩＴＯ膜１２４を蒸着及びスパッタリング等によって積層する。これにより、Ｎｉ/Ａｕ薄膜２２とＩＴＯ透明電極２４が形成される（工程Ｅ１）。マスク７０上に形成されたＮｉ/Ａｕ薄膜１２２とＩＴＯ膜１２４（いずれも不図示）は、次工程に行く前に、当該マスク７０と一緒に除去される。

上記工程Ｅ１と同様の手法により、Ｔｉ／Ａｕ電極２６を形成する。すなわち、Ｔｉ／Ａｕ電極形成予定領域に対応するＳｉ_３Ｎ_４膜６８部分以外にマスク７２を形成し、当該露出したＳｉ_３Ｎ_４膜部分をエッチングにより除去した後、金属薄膜であるＴｉ／Ａｕ膜１２６を蒸着により形成して、Ｔｉ／Ａｕ電極２６を形成する（工程Ｆ１）。マスク７２上に形成されたＴｉ／Ａｕ膜１２６（不図示）は、次工程に行く前に、当該マスク７２と一緒に除去される。

ブリッジ配線５４，５６，５８およびボンディングパッド４６，４８を形成する。ブリッジ配線およびボンディングパッド形成予定表面以外の表面にマスク８２を形成したのち、金属薄膜であるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を蒸着によって形成する。これによって、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜からなるブリッジ配線５４，５８，５６とボンディングパッド４６，４８が形成される（工程Ｇ１）。マスク８２上に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜（不図示）は、次工程に行く前に、当該マスク８２と一緒に除去される。

ＳｉＣ基板１０４の下面を研磨して厚み１５０μｍに調整し、当該研磨面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１６０を蒸着によって形成する（工程Ｈ１）。
各赤色ＬＥＤ８をＳｉＣ基板１０４に、キャピラリ（不図示）を用いて、フリップチップ実装する。すなわち、赤色ＬＥＤ８をＡｕバンプ５０，５２を介して、ＳｉＣ基板１０４上のボンディングパッド４６，４８に接合する（工程Ｉ１）。なお、赤色ＬＥＤ８は、後述する方法によって別途製造される。赤色ＬＥＤ８は、ほぼＳｉＣ基板１０４の厚み分、図５の工程Ｉ１に示すように、青色ＬＥＤ６よりも高くなっている（突出している）。また、図１から分かるように、赤色ＬＥＤ８は、縦方向と横方向を青色ＬＥＤ６に囲まれた位置に配されるので、当該赤色ＬＥＤ８を、隣接するＬＥＤにキャピラリが干渉することなく、スムーズに実装することが可能となる。なお、ＳｉＣ基板１０４上において、隣接するＬＥＤアレイチップ２間で、７行５列のマトリックスの最外周に配された赤色ＬＥＤ８同士が縦方向あるいは横方向に隣接することとなるが、当該ＬＥＤアレイチップ２間にはダイシングしろとして所定の間隔が空けられているので、上記した干渉の問題は生じない。

最後に、ダイシングによって個々のＬＥＤアレイチップに分離して、ＬＥＤアレイチップ２（図１参照）が完成する。
ここで、実装密度だけを問題にするのであれば、ＳｉＣ基板に半導体プロセスによって、導電パターンである、配線パターンやボンディングパッドを形成し、当該ＳｉＣ基板に対して、別途作製した青色ＬＥＤ（チップ）と赤色ＬＥＤ（チップ）を実装することも考えられる。この場合には、当然のことながら、全てのＬＥＤを一つずつ実装することになる。これに対し、本実施の形態では、青色ＬＥＤは結晶成長によってＳｉＣ基板上に形成されるため、当該青色ＬＥＤの実装工数を無くすことができ、その分、コストの低減が図られるのである。具体的には、１個のＬＥＤアレイチップ当たり、キャピラリの往復回数を、青色ＬＥＤの個数分、すなわち２１回分無くすことが可能となる。

また、本実施の形態によれば、青色ＬＥＤを実装によって配置する場合とは比較にならないほど、当該青色ＬＥＤ間の位置精度を確保することが可能となる。したがって、赤色・青色の両方のＬＥＤを実装する場合と比較して、両ＬＥＤ間の相対的な位置精度もほぼ２倍に向上し、これによっても色むらの低減が図られる。
次に、赤色ＬＥＤ８の製造方法について、図６、図７を参照しながら説明する。

なお、図６、図７においても、赤色ＬＥＤ８の各構成部分となる素材部分には１００番台の符号付し、その下２桁には赤色ＬＥＤ８の対応する構成部分に付した番号を用いることとする。
赤色ＬＥＤ８は、特開平２００１−５７４４１号公報等に記載されているように、一旦、格子整合が取りやすいｎ−ＧａＡｓ基板８４上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ-ＧａＩｎＰコンタクト層１３８、ｎ-ＡｌＩｎＰクラッド層１３６、ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸発光層１３４、ｐ-ＡｌＩｎＰクラッド層１３２、ｐ-ＧａＩｎＰコンタクト層１３０をこの順に積層した後、ｐ-ＧａＩｎＰコンタクト層１３０面に赤色光を透過するｐ−ＩｎＰ基板１２８を貼り合わせ、赤色光を吸収する前記ｎ−ＧａＡｓ基板８４を除去する工程（工程Ａ２）を経て作製される。なお、貼り付けるｐ−ＩｎＰ基板１２８の厚さは２５０μｍである。

次に、ｎ−ＧａＩｎＰコンタクト層１３８表面にマスク８６を施す。マスキング領域は、赤色ＬＥＤ８におけるＮｉ/Ａｌ電極４０の形成予定領域よりも一回り広い領域である。そして、非マスキング領域に対応する部分を、ｐ-ＧａＩｎＰコンタクト層１３０が現れるまでエッチングにより除去する（工程Ｂ２）。これにより、Ｔｉ/Ａｌ電極４０接続面（電極形成面）が形成される。マスク８６は、次工程に行く前に除去される。

絶縁と表面保護を目的に、スパッタリング等で、絶縁膜であるＳｉ_３Ｎ_４膜８８を形成する（工程Ｃ２）。
上記Ｓｉ_３Ｎ_４膜８８に対し、マスク９０を施す。マスキング領域は、Ｎｉ/Ａｌ電極４０形成予定領域以外の領域である。そして、非マスキング領域に対応するＳｉ_３Ｎ_４膜８８をエッチングにより除去した後、Ｎｉ/Ａｌ薄膜１４０を蒸着によって積層する。これにより、Ｎｉ/Ａｌ電極４０が形成される（工程Ｄ２）。マスク９０上に形成されたＮｉ/Ａｌ薄膜１４０（不図示）は、次工程に行く前に、当該マスク９０と一緒に除去される。

上記工程Ｄ２と同様の手法により、Ｎｉ／Ａｕ電極４２を形成する。すなわち、Ｎｉ／Ａｕ電極形成予定領域に対応するＳｉ_３Ｎ_４膜８８部分以外にマスク９２を形成し、当該露出したＳｉ_３Ｎ_４膜部分をエッチングにより除去した後、金属薄膜であるＮｉ／Ａｕ膜１４２を蒸着により形成して、Ｎｉ／Ａｕ電極４２を形成する（工程Ｅ２）。マスク９２上に形成されたＮｉ／Ａｕ膜１４２（不図示）は、次工程に行く前に、当該マスク９２と一緒に除去される。

ｐ−ＩｎＰ基板１２８の下面を研磨して厚み１００μｍに調整した後、最後に、ダイシングによって個々の赤色ＬＥＤに分離して、赤色ＬＥＤ８が完成する（工程Ｆ２）。
図８は、上記ＬＥＤアレイチップ２を有した白色ＬＥＤモジュール２００（以下、単に「ＬＥＤモジュール２００」と言う。）の外観斜視図である。ＬＥＤモジュール２００は、後述する照明器具２４０に装着されて用いられるものである。

ＬＥＤモジュール２００は、直径５ｃｍの円形をしたＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板２０２と３個のガラス製レンズ２０４，２０６，２０８を有している。セラミックス基板２０２には、照明器具２４０に取り付けるためのガイド凹部２１０や、照明器具２４０からの給電を受けるための端子２１２，２１４が設けられている。なお、セラミックス基板の材料としては、ＡｌＮ以外に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどが考えられる。

図９（ａ）はＬＥＤモジュール２００の平面図を、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＢ・Ｂ線断面図を、図９（ｃ）は図９（ｂ）におけるＣ部拡大図をそれぞれ示している。
図９（ａ），（ｂ）に示すように、セラミックス基板２０２の中央には、照明器具２４０に取り付ける際のガイド孔（貫通孔）２１６が開設されている。また、セラミックス基板２０２の下面には、放熱特性を改善するために金メッキ２１７が施されている。

図９（ａ）において円形に見える各レンズ２０４，２０６，２０８の中心に対応するセラミックス基板２０２上に、ＬＥＤアレイチップ２が１個ずつ（全部で３個）実装されている。
ＬＥＤアレイチップ２の各実装位置に対応するセラミックス基板２０２上面には、図１０（ｂ）に示すような、チップ実装部兼カソードパッド（以下、単に「カソードパッド」と言う。）２１８とアノードパッド２２０とが形成されている。両パッドには、銅（Ｃｕ）の表面に、ニッケル（Ｎｉ）めっき、ついで、金（Ａｕ）めっきを行なったものが用いられている。ＬＥＤアレイチップ２は、ＳｉＣ基板４を下方に向けた状態でカソードパッド２１８にハンダによって実装される。なお、ハンダによらず、金バンプや銀ペーストによって実装しても構わない。

図９（ｂ）に戻り、上記実装後、ＬＥＤアレイチップ２のアノード電極とアノードパッド２２０、カソード電極とカソードパッド２１８とがボンディングワイヤー２２２，２２４によって接続される。
セラミックス基板２０２上面には、ＬＥＤアレイチップ２の実装位置の対応して開設されたテーパー状の反射孔２２６を有するアルミ板２２８が絶縁樹脂層２３０を介して貼着されている。アルミ板２２８の厚さは０．５ｍｍでレンズ２０４，２０６，２０８と同じ大きさの直径を有する円板状をしている。当該円板の中央に開設された反射孔２２６の下開口部径は３ｍｍで、上開口部径は４ｍｍである。上方に拡がる反射孔２２６の斜面（側壁）は鏡面に仕上げられており、反射ミラーとして機能する。

ＬＥＤアレイチップ２は、セラミックス基板２０２への実装後に配される蛍光体分散部２３２を有している。蛍光体分散部２３２は、緑黄色蛍光体（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋の粉末とＳｉＯ_２の超微粒子とがシリコーン樹脂に分散されてなるものである。蛍光体分散部２３２は、上記反射孔２２６に上記シリコーン樹脂を充填することによって形成される。蛍光体分散部２３２によりＬＥＤアレイチップ２から発する青色光の一部が緑黄色に変換され、この緑黄色光と青色光と赤色光とが拡散混色されて白色光が合成される。（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋は、ＹＡＧに比べてシリコーン樹脂中における分散性が良いので、当該シリコーン樹脂中に均等に分散することができる。その結果、青色光と赤色光の混色性に加え、これらと緑黄色光との混色性が向上し、色ムラの極めて少ない白色光を得ることが出来る。

レンズ２０４，２０６，２０８は、アルミ板２２８に重ねて接着剤２３４を介して貼着されている。当該接着剤としてはシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。
３個のＬＥＤアレイチップ２は、セラミックス基板２０２上面に形成された配線パターンによって、並列に接続されている。

図１０（ａ）は、レンズ２０４，２０６，２０８、３枚の反射板２２６、および絶縁樹脂層２３０を取り除いた状態のＬＥＤモジュール２００の平面図である。ここで、３個のＬＥＤアレイチップ２を、符号Ａ，Ｂ，Ｃを付して区別することとする。
ＬＥＤアレイチップ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ各々の実装位置のセラミックス基板２０２表面には、上述したようにアノードパッド２２０とカソードパッド２１８（図１０（ｂ））が印刷されている。

そして、各ＬＥＤアレイチップ２Ａ，２Ｂ，２Ｃと接続されたアノードパッド２２０は、配線パターン２３６を介して電気的に接続されており、配線パターン２３６の端部は正極端子２１２と接続されている。一方、各ＬＥＤアレイチップ２Ａ，２Ｂ，２Ｃと接続されたカソードパッド２１８は、配線パターン２３８を介して電気的に接続されており、配線パターン２３８の端部は負極端子２１４と接続されている。すなわち、配線パターン２３６、２１４によって、ＬＥＤアレイチップ２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、並列に接続されている。

上記のように構成されたＬＥＤモジュール２００は、照明器具２４０に取り付けられて使用される。ＬＥＤモジュール２００と照明器具２４０とで照明装置２４２が構成される。
図１１（ａ）に、照明装置２４２の概略斜視図を、図１１（ｂ）に、照明装置２４２の底面図をそれぞれ示す。

照明器具２４０は、例えば、室内の天井等に固定される。照明器具２４０は、商用電源からの交流電力（例えば、１００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）を、ＬＥＤモジュール２００を駆動するのに必要な直流電力に変換する電源回路（不図示）を備えている。
図１２を参照しながら、ＬＥＤモジュール２００の照明器具２４０への取り付け構造について説明する。

照明器具２４０は、ＬＥＤモジュール２００がはめ込まれる円形凹部２４４を有している。円形凹部２４４の底面は、平坦面に仕上げられている。円形凹部２４４の内壁の開口部寄り部分には、雌ねじ（不図示）が切られている。また、当該雌ねじと底面との間における内壁から、フレキシブルな給電端子２４６，２４８と、ガイド片２５０とが突出されている。なお、給電端子２４６が正極、給電端子２４８が負極である。さらに、円形凹部２４４の底面中央にはガイドピンが立設されている。

ＬＥＤモジュール２００を照明器具２４０へ取り付けるための部材として、シリコンゴム製のＯ−リング２５４とリングねじ２５６とが備えられている。リングねじ２５６は略矩形断面を有するリング状をしており、その外周には、不図示の雄ねじが形成されている。また、リングねじ２５６は、その周方向の一部が切り欠かれてなる切欠き部２５８を有している。

続いて、取り付け手順について説明する。
先ず、ＬＥＤモジュール２００を、円形凹部２４４にはめ込む。このとき、ＬＥＤモジュール２００のセラミックス基板２０２が、給電端子２４６，２４８と円形凹部２４４の底面との間に位置すると共に、ガイド孔２１６にガイドピン２５２が挿入され、ガイド凹部２１０とガイド片２５０とが契合するようにはめ込む。ガイド孔２１６とガイドピン２５２とで、ＬＥＤモジュール２００の円形凹部２４４に対するセンターの位置合わせがなされ、ガイド凹部２１０とガイド片２５０とで、正極端子２１２、負極端子２１４と対応する給電端子２４６，２４８との位置合わせがなされる。

ＬＥＤモジュール２００がはめ込まれると、Ｏ−リング２５４を装着した後、リングねじ２５６を円形凹部２４４にねじ込んで固定する。これにより、正極端子２１２と給電端子２４６、負極端子２１４と給電端子２４８とが密着し、電気的に確実に接続されることとなる。また、セラミックス基板２０２のほぼ全面と円形凹部２４４の平坦な底面とが密着することとなり、ＬＥＤモジュール２００で発生した熱を照明器具２４０へ効果的に伝達し、ＬＥＤモジュール２００の冷却効果が向上することとなる。なお、ＬＥＤモジュール２００の照明器具２４０への熱伝達効率をさらに上げるため、セラミックス基板２０２と円形凹部２４４の底面にシリコングリスを塗布することとしてもよい。

上記の構成からなる照明装置２４２において、商用電源から給電がなされると、前述したように、各ＬＥＤアレイチップ２における青色ＬＥＤ６からは青色光が赤色ＬＥＤ８からは赤色光が発せられ、青色光の一部は蛍光体分散部２３２中の蛍光体によって緑黄色光に変換される。そして青色光と赤色光と緑黄色光が蛍光体分散部２３２中で拡散混色されて白色光が合成される。合成された白色光は、レンズ２０４，２０６，２０８を介して放射される。

各ＬＥＤモジュール２００に対し１５０ｍＡの電流を流したときの際の全光束は８００ｌｍ、中心光度は１６００ｃｄであった。また、その発光スペクトルは、図１３に示す通りであった。本実施の形態に係る照明装置２４２では、色温度３０００Ｋ、色度座標（ｘ、ｙ）＝（０．４３５、０．４００）、平均演色評価数Ｒａ９５が得られており、既存の白色ＬＥＤでは実現できない低色温度、高演色を実現している。

なお、平均演色評価数Ｒａは、青色ＬＥＤ６、赤色ＬＥＤ８、緑黄色蛍光体の各々の主発光ピーク波長によって決定される。すなわち、平均演色評価数Ｒａは、各々の主発光ピーク波長を調整することによって変更可能である。ＬＥＤの主発光ピーク波長の調整は、量子井戸発光層の厚みや組成比を変更することにより、蛍光体の主発光ピーク波長の調整は、組成比を変更することにより可能である。

図１４は、色温度３０００Ｋでの平均演色評価数Ｒａを、青色ＬＥＤの主発光ピーク波長（Ｂ）４５０、４５５、４６０、４６５、４７０[ｎｍ]毎に赤色ＬＥＤの主発光ピーク波長（Ｒ）と緑黄色蛍光体の主発光ピーク波長（Ｇ−Ｙ）でマッピングしたものである。
図１４において、実線の円で囲んだ領域がほぼＲａ９０以上を実現できる領域である。すなわち、青色光の主発光ピーク波長が４５５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下、赤色発光の主発光ピーク波長が６２０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下、緑黄色発光の主発光ピーク波長が５４５ｎｍ以上５５５ｎｍ以下で、Ｒａ９０以上を実現することができる。

また、図１４において、破線の円で囲んだ領域がほぼＲａ８０以上を実現できる領域である。すなわち、青色発光の主発光ピーク波長が４５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、赤色発光の主発光ピーク波長が６１５ｎｍ以上６３５ｎｍ以下、緑黄色発光の主発光ピーク波長が５４０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下で、Ｒａ８０以上を実現することができる。
上記波長範囲は、各ＬＥＤや蛍光体材料を製造する際、生産性を損なわずに十分制御可能な範囲である。なお、上記の波長範囲は、シリケート蛍光体の代わりにＹＡＧ蛍光体を用いた場合にも当てはまる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記した形態に限らないことは勿論であり、例えば、以下のような形態とすることも考えられる。
（１）上記実施の形態では、青色ＬＥＤを基板（第１の基板）上に結晶成長によって形成し、別途作製した（すなわち、第１の基板とは異なる第２の基板上に結晶成長によって作製した）赤色ＬＥＤを、第１の基板に実装することとしたが、この逆の構成としても構わない。すなわち、基板上に赤色ＬＥＤを結晶成長によって形成し、別途作製した青色ＬＥＤを当該基板に実装するようにしてもよい。
（２）上記実施の形態では、基板に実装するのは１種類のＬＥＤ（すなわち、赤色ＬＥＤ）のみであったが、他の色を発する別の種類のＬＥＤ，例えば、緑色ＬＥＤも実装することとしてもよい。例えば、図１（ａ）、図１（ｂ）において、第２、４、６行目に配されている赤色ＬＥＤに代えて、緑色ＬＥＤを実装するようにしても構わない。このようにすることで、蛍光体を用いることなく、白色ＬＥＤを得ることが可能となる。この場合には、３色の混色性を向上させ、色むらを一層低減させるため、蛍光体分散部２３２に代えて、光拡散部を設けるようにするのが好ましい。光拡散部はアルミナ粉末などをシリコーン樹脂に混入して形成する。
（３）上記実施の形態では、一つのＬＥＤアレイチップを３５個のＬＥＤで構成することとしたが、ＬＥＤの個数はこれに限定するものではない。本発明は、２個以上（２種以上）のＬＥＤを有するＬＥＤアレイチップ（半導体発光装置）に適用可能である。

また、上記の実施の形態では、複数のＬＥＤをマトリックス状に配列することとしたが、配列の態様もこれに限るものではない。
（４）上記実施の形態では、一つのＬＥＤアレイチップ内において、全てのＬＥＤを直列に接続したが、並列に接続してもよい。あるいは、いくつかのグループを直列に接続し、これらのグループを並列に接続するといった、直並列接続としても構わない。
（５）上記実施の形態では、青色ＬＥＤを高抵抗半導体基板であるノンドープＳｉＣ基板上に形成することとしたが、これに限らず、絶縁基板であるサファイヤ基板上に形成することとしても構わない。あるいは、ＡｌＮ基板を用いてもよい。また、高抵抗のＡｌＧａＮ層などを積層した導電性の基板、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉなどを用いてもよい。
（６）上記実施の形態では、ガラス製のレンズを用いたが、樹脂製のレンズを用いてもよい。当該樹脂には、エポキシ樹脂を用いることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体発光装置は、例えば、色むらの少ないことが要求される照明分野などに適する。

（ａ）は、ＬＥＤアレイチップの斜視図である。 （ｂ）は、上記ＬＥＤアレイチップの平面図である。 （ａ）は、上記ＬＥＤアレイチップの一部断面図である。

（ｂ）は、上記ＬＥＤアレイチップ内の接続図である。
ＬＥＤアレイチップの製造方法を説明するための図である。 ＬＥＤアレイチップの製造方法を説明するための図である。 ＬＥＤアレイチップの製造方法を説明するための図である。 ＬＥＤアレイチップを構成する赤色ＬＥＤの製造方法を説明するための図である。 ＬＥＤアレイチップを構成する赤色ＬＥＤの製造方法を説明するための図である。 ＬＥＤモジュールの斜視図である。 （ａ）は、ＬＥＤモジュールの平面図である。

（ｂ）は、（ａ）におけるＢ・Ｂ線断面図である。
（ｃ）は、（ｂ）におけるＣ部拡大図である。
（ａ）は、ＬＥＤモジュールにおいて、レンズなどを取り除いた状態を示す図である。 （ｂ）は、ＬＥＤモジュールを構成するセラミックス基板上に形成されるパッドパターンを示す図である。 （ａ）は、照明装置を示す斜視図である。

（ｂ）は、上記照明装置の下面図である。
照明装置の分解斜視図である。 照明装置の発光スペクトルを示す図である。 青色ＬＥＤの主発光ピーク波長毎に、色温度３０００Ｋにおける平均演色評価数Ｒａを赤色ＬＥＤと緑黄色蛍光体の主発光ピーク波長でマッピングした図である。

符号の説明

２ ＬＥＤアレイチップ
４ ＳｉＣ基板
６ 青色ＬＥＤ
８ 赤色ＬＥＤ
２３０ 蛍光体分散部
４６、４８ ボンディングパッド
５４、５６、５８ ブリッジ配線
２００ 発光モジュール
２０２ セラミックス基板
２４２ 照明装置

Claims (17)

1. 基板と、
   半導体プロセスの結晶成長工程において、前記基板上に形成されてなる第１発光体と、
   前記半導体プロセスの配線工程において、前記基板上に形成されてなる導電パターンと、
   別個に形成されてから前記導電パターン実装され、前記第１発光体とは異なる色の光を発する第２発光体と、
   を有する半導体発光装置。
2. 前記導電パターンは、複数のパッドからなり、
   前記第１発光体は、複数の第１発光素子からなり、
   前記第２発光体は、対応する前記パッドに実装されてなる複数の第２発光素子からなる請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記第２発光素子の縦方向と横方向に隣接する位置に、前記第１発光素子が配されるように、前記基板上に、第１発光素子と第２発光素子とが縦横のマトリックス状に配列されている請求項２記載の半導体発光装置。
4. 前記第１発光素子と前記第２発光素子の内、一方は赤色発光ダイオードであり、他方は青色発光ダイオードであって、
   さらに、
   前記赤色発光ダイオードと前記青色発光ダイオードとを覆い、当該青色発光ダイオードの発する青色光を緑黄色光に変換する蛍光体を有する請求項３記載の半導体発光装置。
5. 前記赤色光は主発光ピーク波長が６１５ｎｍ以上６３５ｎｍ以下の範囲にあり、前記青色光は主発光ピーク波長が４５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の範囲にあり、前記緑黄色光は主発光ピーク波長が５４０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲にある請求項４記載の半導体発光装置。
6. 前記赤色光は主発光ピーク波長が６２０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下の範囲にあり、前記青色光は主発光ピーク波長が４５５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の範囲にあり、前記緑黄色光は主発光ピーク波長が５４５ｎｍ以上５５５ｎｍ以下の範囲にある請求項５記載の半導体発光装置。
7. 前記蛍光体が、シリケート蛍光体（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２+である請求項４記載の半導体発光装置。
8. 前記基板が、ＳｉＣ系またはＡｌＮ系材料で形成されている請求項４記載の半導体発光装置。
9. 前記半導体プロセスの前記配線工程において前記基板上に形成されてなり、前記第１発光素子および第２発光素子間を電気的に接続する配線パターンをさらに有する請求項２記載の半導体発光装置。
10. 請求項９記載の半導体発光装置において、
    前記配線パターンは、前記第１発光素子および前記第２発光素子を直列に接続する。
11. 前記第１発光体は赤色光を発し、前記第２発光体は青色光を発し、
    さらに、
    前記第１発光体と前記第２発光体とを覆い、前記青色光を緑黄色光に変換する蛍光体を有する請求項１記載の半導体発光装置。
12. 前記蛍光体が、シリケート蛍光体（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２+である請求項１１記載の半導体発光装置。
13. 前記赤色光は主発光ピーク波長が６１５ｎｍ以上６３５ｎｍ以下の範囲にあり、前記青色光は主発光ピーク波長が４５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の範囲にあり、前記緑黄色光は主発光ピーク波長が５４０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲にある請求項１１記載の半導体発光装置。
14. 前記赤色光は主発光ピーク波長が６２０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下の範囲にあり、前記青色光は主発光ピーク波長が４５５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の範囲にあり、前記緑黄色光は主発光ピーク波長が５４５ｎｍ以上５５５ｎｍ以下の範囲にある請求項１３記載の半導体発光装置。
15. 前記基板に実装され、前記第１発光体および前記第２発光体のいずれとも異なる色の光を発する第３発光体をさらに有する請求項１記載の半導体発光装置。
16. プリント配線板と、
    前記プリント配線板に実装された、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光装置と、
    を有する発光モジュール。
17. 請求項１６記載の発光モジュール有する照明装置。

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