JP2008072043A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を向上させることができる光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置１Ａにおいて、凹部２ａを有する基体２と、凹部２ａの底面Ｔ上に設けられ光を放射する発光素子３と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３に接触して発光素子３を封止する透光性封止層４と、凹部２ａの底面Ｔと透光性封止層４との間に設けられ透光性封止層４より低い屈折率を有する透光性反射層５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子を備える光半導体装置に関する。

光半導体装置は、照明や表示装置等の様々な装置の光源として広い分野で用いられている。この光半導体装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子と、その発光素子を収容するカップ形状の凹部を有する基体とを備えている（例えば、特許文献１参照）。その凹部には、発光素子を封止する透光性封止層が設けられている。この透光性封止層は、透光性樹脂材料により形成されている。

このような光半導体装置では、発光素子から放射された光は、透光性封止層に入射し、その透光性封止層から外部雰囲気（例えば空気）に放出される。一般に、透光性封止層は、外部雰囲気よりも屈折率が高いため、臨界角以上の角度で透光性封止層と外部雰囲気との界面に入射した光は全反射する。その後、全反射した光は基体の凹部内の側面や底面等の各面との衝突を繰り返すことになる。
特開２００２−２６１３３３号公報

しかしながら、基体の各面の反射率は１００％でないため、光は透光性封止層から外部雰囲気に取り出されるまで、基体の各面に衝突する回数が多いほど減衰してしまう。この光の減衰により、光取り出し効率は低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、光取り出し効率を向上させることができる光半導体装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、光半導体装置において、凹部を有する基体と、凹部の底面上に設けられ、光を放射する発光素子と、凹部内に設けられ、発光素子に接触して発光素子を封止する透光性封止層と、凹部の底面と透光性封止層との間に設けられ、透光性封止層より低い屈折率を有する透光性反射層とを備えることである。

本発明によれば、光取り出し効率を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置１Ａは、凹部２ａを有する基体２と、凹部２ａの底面Ｔ上に設けられ光を放射する発光素子３と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３に接触してその発光素子３を封止する透光性封止層４と、凹部２ａの底面Ｔと透光性封止層４との間に設けられ透光性封止層４より低い屈折率を有する透光性反射層５と、発光素子３にそれぞれ接続され凹部２ａの底面Ｔから外部まで延伸する一対のリード部６Ａ、６Ｂとを備えている。

基体２は、その略中央に位置付けて設けられた凹部２ａと、その凹部２ａの側面（側壁）Ｓから外部まで貫通する貫通部２ｂとを有している。この基体２は、板状の基板であり、例えば熱可塑性樹脂等のモールド樹脂により形成されている。

凹部２ａは、例えばカップ形状、すなわち逆円錐台形状に形成されており、その内部に発光素子３を収容する収容部である。この凹部２ａの側面Ｓは、凹部２ａの底面Ｔから外部に向かって傾斜しており、発光素子３により放射された光を外部に向けて反射する反射面として機能する。この側面Ｓには、例えば銀メッキ等が施されている。また、貫通部２ｂは、凹部２ａの底面Ｔに略平行に形成されており、リード部６Ａ、６Ｂを引き出すための貫通孔である。この貫通部２ｂには、リード部６Ａ、６Ｂが挿入されて設けられている。

発光素子３は、凹部２ａの底面Ｔの略中央に位置付けられてリード部６Ａ上に設けられている。この発光素子３の底面電極（図２中の下面）は、例えば銀ペースト等の接合部材７によりリード部６Ａに接合されて電気的に接続されている（図２参照）。また、発光素子３の表面電極（図２中の上面）は、例えば金ワイヤ等の接続部材８によりリード部６Ｂに電気的に接続されている（図１参照）。なお、発光素子３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いる。発光素子３の屈折率は、例えば２．３〜２．５程度である。

透光性封止層４は、凹部２ａ内に設けられ、発光素子３の表面に接触して発光素子３を封止する層である。この透光性封止層４は、発光素子３から放射された光を放出するための放出面４ａを有している（図２参照）。この放出面４ａは、外部雰囲気に接する露出面であり、発光素子３から放射された光を放出する光取り出し面として機能する。また、透光性封止層４は、発光素子３から放射された光の波長を変換する粒子状の蛍光体Ｋを複数含有している。

この透光性封止層４は、例えば、粒子状の蛍光体Ｋを混合した蛍光体混合樹脂等の透光性樹脂材料により形成されている。透光性樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いる。蛍光体Ｋは、発光素子３の光の波長よりも長い波長を有する光を放出する。この蛍光体Ｋとしては、例えば青色の光を放射する発光素子３を用いた場合、黄色の蛍光体を用いたり、あるいは、黄色の蛍光体及び赤色の蛍光体の両方を用いたりする。透光性封止層４の屈折率は、例えば１．５程度である。

透光性反射層５は、基体２の凹部２ａの底面Ｔを覆うように底面Ｔに直接設けられている。この透光性反射層５は、例えば、熱硬化性シリコーン樹脂等の透光性樹脂材料により形成されており、透光性封止層４より低い屈折率を有している。透光性反射層５の屈折率は、例えば１．４程度である。

この透光性反射層５の厚さは、凹部２ａの底面Ｔに対する発光素子３の上面（図２中）の高さ以下に設定されている。これにより、透光性反射層５が発光素子３の全体を覆うことがなくなり、発光素子３と透光性封止層４とは接することになる。

ここで、発光素子３の全体が透光性反射層５により覆われている場合には、発光素子３が透光性封止層４と接している場合に比べ、発光素子３から取り出される光が減ってしまう。これは、発光素子３の屈折率が透光性封止層４及び透光性反射層５の屈折率よりも高く、発光素子３と透光性反射層５との屈折率差が発光素子３と透光性封止層４との屈折率差よりも大きいためである。したがって、透光性反射層５の厚さを発光素子３の上面の高さ以下に設定し、発光素子３と透光性封止層４とを接触させることによって、発光素子３の全体が透光性反射層５により覆われなくなるので、光取り出し効率の低下を抑えることができる。

一対のリード部６Ａ、６Ｂは、発光素子３に外部から電力を供給するためのリードフレームである。これらのリード部６Ａ、６Ｂは、基体２の各貫通部２ｂにそれぞれ挿入されて基体２に設けられており、凹部２ａの底面Ｔから外部までそれぞれ引き出されている。この一対のリード部６Ａ、６Ｂは、例えば銅等の金属材料により形成されている。

次に、このような光半導体装置１Ａの発光動作について説明する。

一対のリード部６Ａ、６Ｂに電圧が印加され、発光素子３に電力が供給されると、発光素子３は光を放射する。その光の一部は、透光性封止層４を通過してそのまま放出面４ａから放出され、他の一部は、凹部２ａの側面Ｓにより反射されて放出面４ａから放出される。このとき、光の一部が蛍光体Ｋに入射する。これにより、蛍光体Ｋは励起されて光を放射する。その光の一部も、透光性封止層４を通過して放出面４ａから放出され、他の一部も凹部２ａの側面Ｓにより反射されて放出面４ａから放出される。このようにして、発光素子３により放射された光と、その光により励起された蛍光体Ｋにより放射された光とが混合され、透光性封止層４の放出面４ａから放出される。

このような発光動作では、図２に示すように、発光素子３により放射された光のうち、透光性封止層４と外部雰囲気（例えば空気）との臨界角以上の角度でそれらの界面に衝突した光Ｈは全反射される。この光Ｈは、凹部２ａの底面Ｔに向かって進行し、透光性反射層５に入射する。このとき、透光性封止層４と透光性反射層５との間に屈折率差があるので、透光性封止層４と透光性反射層５との臨界角以上の角度でそれらの界面に衝突した光Ｈは全反射され、凹部２ａの底面Ｔに衝突することがなくなる。これにより、凹部２ａの底面Ｔに対して光が衝突する衝突確率が減少する。一般に、全反射による光の減衰量は少ないため、凹部２ａの底面Ｔに対する光の衝突確率が減少することにより、光の減衰が抑えられ、光取り出し効率は向上する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、凹部２ａの底面Ｔと透光性封止層４との間に、透光性封止層４より低い屈折率を有する透光性反射層５を設けることによって、透光性封止層４と透光性反射層５との間に屈折率差が生じ、凹部２ａの底面Ｔに向かって進行する光の一部、すなわち透光性封止層４と透光性反射層５との臨界角以上の角度でそれらの界面に衝突する光Ｈは全反射され、凹部２ａの底面Ｔに衝突することがなくなる。これにより、凹部２ａの底面Ｔに対する光の衝突確率が減少するので、光の減衰が抑えられ、光の取り出し効率を向上させることができる。

透光性封止層４及び透光性反射層５のどちらか一方が、発光素子３から放射された光の波長を変換する蛍光体Ｋを含有していることから、発光素子３から放射される光と異なる色の光を発生させることが可能になるので、白色光等の希望する色を放出する光半導体装置１Ａを実現することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図３及び図４を参照して説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。

図３及び図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置１Ｂでは、透光性反射層５から透光性封止層４に露出する凸部２ｃが凹部２ａの底面Ｔに設けられている。

凸部２ｃは、発光素子３がリード部６Ａを介して載置される載置面Ｍを有しており、その載置面Ｍが透光性反射層５から透光性封止層４に向かって露出するように形成されている（図４参照）。すなわち、凸部２ｃは、透光性反射層５を収容する段差部２ｄを凹部２ａの底面Ｔに設けることにより形成されている。段差部２ｄは凸部２ｃの周囲に位置しており、この段差部２ｄ内には、透光性反射層５が設けられている。

透光性反射層５の厚さは、凸部２ｃの高さ以下に設定されている。これにより、透光性封止層４と透光性反射層５との界面の高さが凸部２ｃの載置面Ｍの高さ以下になるので、透光性反射層５が発光素子３の側面を覆うことが防止される。なお、本発明の第２の実施の形態では、透光性反射層５の厚さが凸部２ｃの高さと同じになるように設定されており、透光性封止層４と透光性反射層５との界面の高さは凸部２ｃの載置面Ｍの高さと同じになっている。

ここで、発光素子３は、その形状に応じて周面、すなわち側面から多量の光を放射する場合がある。このとき、発光素子３の側面が透光性反射層５により覆われている場合には、発光素子３の側面が透光性封止層４に接している場合に比べ、発光素子３から取り出される光が減ってしまう。これは、発光素子３の屈折率が透光性封止層４及び透光性反射層５の屈折率よりも高く、発光素子３と透光性反射層５との屈折率差が発光素子３と透光性封止層４との屈折率差よりも大きいためである。ところが、光半導体装置１Ｂでは、発光素子３が凸部２ｃの載置面Ｍ上に載置され、その発光素子３の側面は透光性封止層４により覆われている。したがって、発光素子３の側面が透光性反射層５により覆われることはなく、光取り出し効率の低下が抑えられている。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、発光素子３が載置される凸部２ｃを透光性反射層５から透光性封止層４に露出させて凹部２ａの底面Ｔに設けることによって、発光素子３が凸部２ｃ上に載置され、その発光素子３の側面が透光性封止層４により覆われ、透光性反射層５により覆われることがなくなるので、光取り出し効率の低下を防止することができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、透光性封止層４だけに蛍光体Ｋを含有させているが、これに限るものではなく、例えば、透光性封止層４に加え、透光性反射層５に蛍光体Ｋを含有させてもよく、また、透光性反射層５だけに蛍光体Ｋを含有させるようにしてもよい。

さらに、前述の実施の形態においては、凹部２ａの底面Ｔの全体を覆うように透光性反射層５を設けているが、これに限るものではなく、例えば、底面Ｔの一部だけを覆うように透光性反射層５を設けるようにしてもよい。

最後に、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。

本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す斜視図である。 図１のＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す斜視図である。 図３のII−II線断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…光半導体装置、２…基体、２ａ…凹部、２ｃ…凸部、３…発光素子、４…透光性封止層、５…透光性反射層、Ｋ…蛍光体、Ｔ…底面

Claims (3)

1. 凹部を有する基体と、
   前記凹部の底面上に設けられ、光を放射する発光素子と、
   前記凹部内に設けられ、前記発光素子に接触して前記発光素子を封止する透光性封止層と、
   前記凹部の底面と前記透光性封止層との間に設けられ、前記透光性封止層より低い屈折率を有する透光性反射層と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記凹部の底面に設けられ、前記透光性反射層から前記透光性封止層に露出して前記発光素子が載置される凸部を備えることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記透光性封止層及び前記透光性反射層のどちらか一方は、前記発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。

Images