JP2008166311A - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光素子及び半導体発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高い輝度を得ることができる半導体発光素子及び半導体発光装置を提供する。
【解決手段】第1及び第2の主面を有し発光層を含む半導体積層体と、前記発光層から放出される第1の波長の光を吸収し前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を放射する蛍光体粒子と、前記蛍光体粒子を包んで前記半導体積層体の前記第1の主面上に設けられ、前記第1及び第2の波長の光に対して透光性を有し、前記蛍光体粒子の少なくとも一部を含む凸部を表面に有するコーティング層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体発光素子及び半導体発光装置に関する。
窒化物系半導体を発光層として有する発光素子からの放射光と、この放射光を吸収した蛍光体から励起された波長変換光とを混合することにより、白色光を含む混合色を得ることができる。このような半導体発光装置において、高輝度化の要求が高まっている。
しかしながら、いわゆる表面実装(SMD:Surface Mounted Device)型の半導体発光装置においては、半導体発光素子のチップは側壁をリフレクタとする凹部の底面に配置され、チップと比較して大きな容積を有する凹部内透明樹脂層に蛍光体が分散配置されている。このために、光が凹部内に広がることになり輝度を高めることが困難となる。
半導体発光素子の表面に、蛍光体を含むコーティング層を設けた半導体発光装置及びその製造方法に関する技術開示例がある(特許文献1)。
米国特許出願公開第2004/0061433号明細書
本発明は、高い輝度を得ることができる半導体発光素子及び半導体発光装置を提供する。
本発明の一態様によれば、第1及び第2の主面を有し発光層を含む半導体積層体と、前記発光層から放出される第1の波長の光を吸収し前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を放射する蛍光体粒子と、前記蛍光体粒子を包んで前記半導体積層体の前記第1の主面上に設けられ、前記第1及び第2の波長の光に対して透光性を有し、前記蛍光体粒子の少なくとも一部を含む凸部を表面に有するコーティング層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、第1及び第2の主面を有し発光層を含む半導体積層体と、前記発光層から放出される第1の波長の光を吸収し前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を放射する蛍光体粒子と、前記半導体積層体の前記第1の主面上に設けられ、前記第1及び第2の波長の光に対して透光性を有し、前記蛍光体粒子と前記蛍光体粒子の表面に被覆された被覆層とを有する凸部を表面に有するコーティング層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記のいずれかの半導体発光素子と、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に設けられたパターン配線と、少なくとも前記半導体発光素子を覆う透明樹脂と、を備え、前記半導体発光素子は、前記パターン配線上に接着され、前記透明樹脂は、前記コーティング層と比較して小さいかまたは等しい屈折率を有することを特徴とする半導体発光装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記のいずれかの半導体発光素子と、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に設けられたパターン配線と、前記絶縁性基板に接着された透明カバーと、を備え、前記半導体発光素子は、前記パターン配線上に接着され、前記コーティング層を介して取り出された前記第1及び第2の波長の光は、前記透明カバーを介して外部へ放射されることを特徴とする半導体発光装置が提供される。
本発明により、高い輝度を得ることができる半導体発光素子及び半導体発光装置が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子を表し、図1(a)はその模式断面図、図1(b)はその表面近傍の部分拡大模式断面図であり、図1(c)はその断面を表す写真である。半導体発光素子50は、基板30と、半導体積層体10と、蛍光体粒子40と、コーティング層42と、を含んでいる。
半導体積層体10は、例えば窒化物系半導体を含み、p型層14、発光層16、n型層18を有し、n型層18の上にはn側電極20が設けられている。図1(a)に表した構造において、半導体積層体10のp型層14に近接して設けられた反射膜12は導電性基板30の一方の主面と接合金属32により接着され、他方の主面にはp側電極34が設けられる。
n型層18側である半導体積層体10の第1の主面上に設けられ透光性を有するコーティング層42には、蛍光体粒子40が高濃度に混合されている。つまり、コーティング層42は、蛍光体粒子40を包んで半導体積層体10の第1の主面上に設けられている。この場合、コーティング層42は、n側電極20上には設けなくてもよい。また、半導体積層体10とコーティング層42との間には、絶縁膜などの他の要素を設けてもよい。発光層16から図1(a)の上方へ向かう光は、コーティング層42を透過する光と、蛍光体粒子40に吸収される光と、を含む。
発光層16からの光が蛍光体粒子40に吸収され、蛍光体粒子40が励起されると、波長変換された光が放射される。例えば窒化物系半導体の場合、発光層16から450〜460nmの青色光が放射され、蛍光体粒子40を珪酸塩系の黄色蛍光体とすると波長変換光としてピーク波長が560nm近傍である黄色光が得られる。このため半導体発光素子50の上方において、青色光及び黄色光の混合色が得られる。
図1に表す半導体発光素子50は、ウェーハ状の半導体積層体10上に蛍光体粒子40を混合した液体状のコーティング材を塗布し硬化した後に分割してチップ化される。
本実施形態において、コーティング層42の表面は、図1(b)のように凸部44を有する。凸部44は、蛍光体粒子40の少なくとも一部を含む。すなわち、凸部44は、蛍光体粒子40と、その表面を被覆する被覆層42aと、を有する。図1(b)の左側に表す凸部44aのように、コーティング層42の凸部44aが蛍光体粒子40の表面形状に応じて蛍光体粒子40を被覆層42aで包むようにコーティング層42が形成されると、蛍光体粒子40から放出された黄色光Y1は凸部44aの断面における接線T1に対して垂直に近い角度で空気中に入射する。すなわち、空気層に対する入射角はゼロに近いので全反射を抑制でき、半導体発光素子50のチップ側面方向への光の広がりを低減できる。
また、図1(b)の右側に表す凸部44bのように、蛍光体粒子40がコーティング層42の凸部44bにわずかに含まれ、表面からより深い部分に配置された場合でも、コーティング層42の内部から上方に向かう蛍光体粒子40からの黄色光Y2は、凸部44bの被覆層42aの断面の点P2において空気との界面における入射角θ2を小さくし被覆層42aにおける全反射の発生を低減できる。なお、発光層16からの青色光B1及びB2が凸部44a、44bから放射される場合にも、空気層への入射角を小さくできるので全反射が低減され、チップ側面方向への光の広がりを低減できる。
凸部44の外側領域の表面45は、図1(b)のように平坦部45aあるいは凹部45bを有する。蛍光体粒子40の少なくとも一部分が、凸部44の外側表面45より凸部44の先端部の方向に高さMだけ突出していると凹部40の高さHが大きくなり、空気層への入射角を小さくでき、全反射を低減できる。例えば、蛍光体粒子40が球形に近い場合、高さMは球の半径程度であることがより好ましい。なお、コーティング層42を、屈折率が約1.4であるシリコーン樹脂とすると、空気層へ入射する場合に全反射を生じる臨界角θcは約45度となる。
図1(c)は、黄色蛍光体が、コーティング層42を含めた全質量に対して60質量%の場合におけるシリコーン樹脂のコーティング層42の断面を表す。なお、この写真から分かるように、蛍光体粒子40の形状は多様であるので、等しい容積を有する球の直径により粒径を表す。
図1(c)のように高濃度に分散された蛍光体粒子40は近接し、コーティング層42が蛍光体粒子40を覆うことにより表面に凸部44が形成できる。このように高濃度とすることにより、コーティング層42の厚みを薄くしても、波長変換を効率よく行うことができる。また、蛍光体粒子40の直径が大きいほうが輝度を高くすることが容易となるが、薄いコーティング層42であっても均一な発光とするために黄色の蛍光体粒子40の平均粒径は15〜20μmとすることが好ましい。
図2は本実施形態にかかる半導体発光装置を表す模式断面図である。セラミックまたは樹脂成型体のような絶縁性基板60には、パターン配線62、63が設けられている。パターン配線62と対向するパターン配線63の端部に、図1の半導体発光素子50がマウント材64により接着される。半導体発光素子50の表面のコーティング層42が設けられていないn側電極20部分及びパターン配線62の端部は25〜40μmの金線のボンディングワイヤ66により接続される。なお、パターン配線はリードフレームであってもよい。ボンディングワイヤ66及び半導体発光素子50の保護のために透明カバー68が取り付けられる。
半導体積層体10の直上に配置された蛍光体粒子40に青色光が照射され、励起された黄色光Y3は全反射が低減されコーティング層42から上方により多く放射される。また、青色光B3も同様に全反射が低減されコーティング層42から上方に多く放射される。青色光B3及び黄色光Y3は、透明カバー68を経由して外部に取り出され混合色が得られる。
本実施形態において、コーティング層42の表面が凸型形状を有しているために空気層との間の全反射が低減され、かつ蛍光体粒子40が半導体積層体10の略表面に配置されているので、光源を一辺がEである半導体発光素子50のチップと略同じに保つことができ、輝度を高くすることができる。
図3は、本実施形態の半導体発光素子50のコーティング層42を設ける前の模式断面図を表す。図3(a)において、窒化物系を含む半導体積層体10は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法などにより仮基板(図示せず)上に結晶成長される。p型層14に隣接して銀(Ag)などを含む反射膜12を形成し、シリコンなどの導電性基板30の一方の主面とAnSn系合金などの接合金属32を用いて接着する。
続いて仮基板を除去しn側電極20を形成する。導電性基板30の他方の主面には、p側電極34が設けられる。発光層16から放射された青色光はAgを含む反射膜12の高反射率のために効率よく反射されn側電極20の側から取り出される。なお、チップの側面が露出しているが、反射膜12が発光層16の直下に近接しているのでチップ側面からの青色光の放射が低減されるので光取り出し効率が低下することはない。
また、図3(b)のように、n型層18の表面に微少凹凸19を形成すると半導体積層体10及びコーティング層42の間において全反射をより低減することができる。なお、基板を導電性基板30としたが、本発明はこれに限定されず絶縁性基板であってもよい。しかし、導電性基板30であるほうが電極の取り出しが簡素となり、チップサイズを縮小することができる。
図4は、比較例にかかる半導体発光装置を表し、図4(a)は模式断面図、図4(b)は半導体発光素子の模式断面図である。セラミックのような絶縁性基板110には、パターン配線112、113が設けられている。パターン配線112と対向するパターン配線113の端部に、図4(b)の半導体発光素子118がマウントされる。半導体発光素子118のp側電極128及びパターン配線113の端部は25〜40μmφの金線であるボンディングワイヤ122により、n側電極130及びパターン配線112の端部はボンディングワイヤ121により接続される。
側板124には凹部126が設けられ、その側壁には反射膜(図示せず)が設けられ光を上方に向けて反射する。凹部126には、蛍光体粒子116が混合された透明樹脂117が充填されている。半導体発光素子118から、例えば青色光B5、B6が放射されると、青色光を吸収し励起された蛍光体粒子116から波長変換された黄色光Y5、Y6が放射される。このため青色光B7及び黄色光Y5、Y6の混合色を凹部126の上方において取り出すことができる。
図4(a)に矢印B6で表すように、半導体素子118からの光はチップ側面方向へも放射される。蛍光体粒子116は凹部126の中に分散して配置されている。半導体発光素子118から側面方向へ放射された青色光B6が、凹部126の底部に分散している蛍光体粒子116に吸収され、励起により波長変換された黄色光Y6が放射される。また、青色光B5は、透明樹脂117から空気層への入射角θ5が全反射を生じる臨界角θcより大きいと空気層との界面で全反射を生じ凹部126の側壁及び基板110の表面に向かう。この青色光B5が蛍光体粒子116を励起すると黄色光Y5を放射する。
このため凹部126の上方から見ると、半導体発光素子118のチップの周囲の凹部126において微発光領域が生じ、光源面積は凹部126の幅Cのように広がり、チップ面積より大きくなる。また、基板110の表面に向かった光のうち基板110で吸収され、凹部126の側壁へ向かった光のうち上方に取り出せない部分は損失となる。これらのために、第1比較例において輝度が低下する。
なお、図4(b)に表す比較例における半導体発光素子118は、サファイヤ基板120上に、n型GaN層132、発光層134、p型InGaN層136がこの順序で、例えばMOCVD法を用いた結晶成長により形成される。p型層136上にはp側電極128が、n型層132にはn側電極 が設けられている。
ここで、輝度と光源面積の関係について説明をする。照明用途における光学特性を表すのに光度(cd:カンデラ)を光源面積で除した輝度(cd/mm)を用いると便利である。半導体発光装置からの放射光をレンズなどにより集光する場合、光源面積が小さい程制御性が良好となり、輝度をより高くできる。
比較例において、例えば半導体発光素子118のチップサイズを1mm×1mmの正方形とする。例えば、半導体発光素子の寸法公差として±0.05mm、チップマウント位置ずれ公差として±0.05mm、マウント工程における凹部126の側壁とコレット直径との間隔余裕として0.1mmとする。ここで凹部126を円柱状とすると直径が約1.8mmとなり、凹部126はチップの約2.5倍の面積となる。すなわち、発光面積の増加に対応して輝度が低下する。図4(a)のように凹部126が上に向かって拡幅する場合、輝度はさらに低下する。
これに対して、図1に表す本実施形態においては、光源面積をほぼチップサイズに小さく保ち、輝度を高めることが容易となる。また、図3のチップ構造を用いると反射膜12により上方への放射光を増やし、輝度をより高めることができる。
次に、本実施形態において輝度を高める作用について光線追跡法を用いたシミュレーションにより説明する。ここで、チップは一辺が1mmの正方形とし、基板は8mm×6mmの矩形とする。蛍光体粒子は、混合色が白色光となるような組成とする。また、透明樹脂層の厚みは0.6mmとし、透過率を100%とする。
図5は、シミュレーション結果を表し、図5(a)は本実施形態の断面における光路を表す模式図、図5(b)は図4(a)の比較例における光路を表す模式図、図5(c)は比光度の角度依存性を表すグラフ図である。図5(a)は、図1に表す本実施形態にかかる半導体発光素子50において、放射光は蛍光体粒子40が高濃度に分散されコーティング層42中で散乱をした後、多くの光が上面から取り出される状態を表している。
一方、図5(b)は比較例であり、透明樹脂117から空気層への入射角が臨界角θcを越えた放射光は全反射を生じて外へ取り出すことができない。全反射された光のうち、基板110の表面に当たった約60%は基板110に吸収されるために全放射束が本実施形態と比較して約6%低下する。
また、全反射され、基板110に吸収されず側面方向に逃げる光がさらに生じるために比較例の輝度は、本実施形態より約34%低下する。図5(c)に縦軸は比光度を表し、横軸は半導体発光装置の光軸からの角度(度)である。光軸上のピーク光度は、比較例において本実施形態の約66%と低下し、±100度近傍にサブピークを生じている。すなわち、本実施形態においては、輝度を比較例の約1.5倍にできる。
図6は、透明樹脂の有無による色度の違いを説明する図であり、図6(a)は本実施形態、図6(b)は透明樹脂117がある本実施形態の変形例、図6(c)は光束の光度依存性を表すグラフ図である。図6(a)は、屈折率が約1.4であるコーティング層42から屈折率が1.0の空気層へ光が放射される場合、屈折率差により放射光がコーティング層42内に閉じこめられ蛍光体粒子40との衝突確率が高い。
一方、図6(b)において、蛍光体粒子40が混合されたコーティング層42及び透明樹脂層117の屈折率は共に約1.4であり差がない。このために放射光は透明樹脂層117に取り出されやすく蛍光体粒子40との衝突確率が低くなる。もし、透明樹脂117の屈折率を1.4より小さくすると衝突確率は図6(a)に近づく。
図6(c)において、縦軸は光束(lm)、横軸は色度Cxを表す。青色光及び黄色光の混合により白色光を得る場合、Cxが0.4以下の範囲では色度Cxが大きいほど光束が高い。コーティング層42の上方に屈折率に差がない透明樹脂117を配置するとコーティング層42内から放射光が取り出されにくく、色度Cxの低下を生じる。このために色度図において白色光を得るのに必要な色度Cxを確保するには、コーティング層117の屈折率以下である透明樹脂117を介して光を放射する構造より図6(a)の方が好ましい。
次に、図1に表す蛍光体粒子40を含んだコーティング層42の形成方法について説明する。なお、コーティング層42は透明シリコーン樹脂を含むものとする。液状のシリコーン樹脂に、アルカリ土類金属の珪酸塩などを含む黄色蛍光体を混合する。この場合、蛍光体粒子40は、例えば60重量%のように高くする。ディスペンサを用いて混合液をウェーハ状の半導体発光素子の上面にポッティングなどにより少量塗布する。塗布に際してスピンコート法を採用すると厚みをより均一にできる。コーティング層42の厚みは、例えば50μmとする。
さらに、ワイヤボンディングの箇所に図1(a)に破線で表す幅Lの開口を設けるなど、必要に応じてウェーハ状態でパターニングを行い、チップに分離をすれば図1の半導体発光素子50を得ることができる。なお、コーティング層42は、シリコーンなどの液状樹脂に限定されない。
また、半導体発光素子の発光側表面近傍に蛍光体粒子を配置する方法として、チップをフリップチップ実装することによりボンディングワイヤをなくし発光側表面に蛍光体を含む透明シートを被覆する、重力、遠心分離機により蛍光体粒子を沈降させる、蛍光体粒子を電着により発光側表面に直接形成するなどの方法がある。しかしながら、これらの方法はいずれも、工程が複雑で生産性が低く、色度制御が難しい。これに対して本実施形態による構造は、生産性が高くかつ色度制御が容易である。
図2における半導体発光素子50及びターン配線63をより確実に接着する構造について説明する。半導体発光装置の動作電流が0.5Aより大きい用途の場合、Agペーストのような導電性接着剤のマウント材64を用いてチップをマウントするよりも、金属共晶のマウント材64を用いるとよい。例えば、AuSnを用いると、熱抵抗Rth(J−A)は約10℃/Wに低減され、接合温度の上限を125℃とすると周囲温度100℃近傍まで使用可能となる。また、AuSnは青色光や紫外光照射による変色がなく、接合強度はAgペーストより高い。
AuSn接合工程は、例えば半導体発光素子の接合する側の電極に蒸着法などを用いてAuSnを形成し、310℃で配線パターン63に接着する。またはパターン配線63上にAuSnペーストを塗布し、半導体発光素子を載置し、310℃の高温リフローを用いて接着することもできる。なお、AuSn以外に、AuSb、AuSi、AuGe、SnAgCu系のマウント材64を用いることもできる。このようなマウント材64を用いることにより、高輝度の半導体発光装置をより高温で安定に動作させることができる。
なお、説明した黄色蛍光体としては、例えば組成式が(Me1−yEuSiO:Eu2+(MeはBa、Sr、Ca、Mgから選ばれる少なくともひとつのアルカリ土類金属元素、0<y≦1)で表される珪酸塩系材料を用いることができる。蛍光体材料としては、珪酸塩系材料に限らず、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)または酸窒化物系半導体であってもよい。
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら実施の形態に限定されない。半導体発光素子及び半導体発光装置を構成する半導体積層体、導電性基板、反射膜、蛍光体粒子、コーティング層、絶縁性基板、パターン配線、透明カバーなどに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
なお、本明細書において「窒化物系半導体」とは、InAlGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)なる化学式において組成比x及びyをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、ボロン(B)を含むものや、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、あるいは導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物系半導体」に含まれるものとする。
本発明の実施形態にかかる半導体発光素子の模式図である。 図1の半導体発光素子を用いた半導体発光装置である。 図1の半導体発光素子にコーティング層を設ける前の模式断面図である。 比較例にかかる半導体発光装置の模式断面図である。 光線追跡法を用いたシミュレーション結果を表す図である。 光線追跡法を用いたシミュレーション結果を表す図である。
符号の説明
10 半導体積層体、12 反射膜、16 発光層、30 導電性基板、32 接合金属、40 蛍光体粒子、42 コーティング層、42a 被覆層、44、44a、44b 凸部、45 外側表面、50 半導体発光素子、60 絶縁性基板、62、63 パターン配線、68 透明カバー

Claims (5)

  1. 第1及び第2の主面を有し発光層を含む半導体積層体と、
    前記発光層から放出される第1の波長の光を吸収し前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を放射する蛍光体粒子と、
    前記蛍光体粒子を包んで前記半導体積層体の前記第1の主面上に設けられ、前記第1及び第2の波長の光に対して透光性を有し、前記蛍光体粒子の少なくとも一部を含む凸部を表面に有するコーティング層と、
    を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 第1及び第2の主面を有し発光層を含む半導体積層体と、
    前記発光層から放出される第1の波長の光を吸収し前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を放射する蛍光体粒子と、
    前記半導体積層体の前記第1の主面上に設けられ、前記第1及び第2の波長の光に対して透光性を有し、前記蛍光体粒子と前記蛍光体粒子の表面に被覆された被覆層とを有する凸部を表面に有するコーティング層と、
    を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
  3. 前記半導体積層体の前記第2の主面側に設けられた基板と、
    前記基板と前記半導体積層体との間に設けられた反射膜と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  4. 請求項1〜3のいずれかに1つに記載の半導体発光素子と、
    絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板上に設けられたパターン配線と、
    少なくとも前記半導体発光素子を覆う透明樹脂と、
    を備え、
    前記半導体発光素子は、前記パターン配線上に接着され、
    前記透明樹脂は、前記コーティング層と比較して小さいかまたは等しい屈折率を有することを特徴とする半導体発光装置。
  5. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
    絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板上に設けられたパターン配線と、
    前記絶縁性基板に接着された透明カバーと、
    を備え、
    前記半導体発光素子は、前記パターン配線上に接着され、
    前記コーティング層を介して取り出された前記第1及び第2の波長の光は、前記透明カバーを介して外部へ放射されることを特徴とする半導体発光装置。
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