JP2009070869A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光装置では、光の取り出し効率を向上させるため、高反射性を有する金属を斜面に形成した部材をサブマウントに接着しリフレクタを形成していた。しかし、半導体発光素子をサブマウント上に形成してからリフレクタ部を形成するので、工程に手間がかかり、また接着するために、半導体発光素子の発する熱による歪みを考慮しなければならないと言う課題があった。
【解決手段】予め一体成形などで作製した斜面を有するリフレクタを半導体発光素子に被せてリフレクタを形成する。リフレクタは封止樹脂またはサブマウント上の係止部によって固定される。
【選択図】図1

Description

本発明は、n側電極とp側電極とが基板の一方の面にある半導体発光素子をサブマウント上に配置し、半導体発光素子の周囲にリフレクタを配置した半導体発光装置に関するものであり、特にリフレクタが一体成形などで作製された半導体発光装置に関するものである。
発光ダイオードやレーザダイオードなどに用いられる半導体発光素子は、サファイアやGaN系の基板上に発光層を形成することで得られる。基板の一方の側に電流供給用の電極を形成したタイプのものは、基板の発光層を形成しなかった面から光を放出する。この場合、発光層からの光をできるだけ効率的に放出するために、半導体発光素子の周囲にはリフレクタを配置した半導体発光装置が提案されている。
特許文献1には、リフレクタをセラミック製のサブマウントと同じ材質で作製した半導体発光装置が開示されている。特許文献1の発明は、半導体発光素子の発生する熱によってリフレクタが歪み、サブマウントから剥離してしまうことを回避することを目的とする。
特許文献2には、半導体発光素子の周囲にリフレクタを配置した上で、サブマウントを透明にして、半導体発光素子から取り出す光の量を増やす発明が開示されている。
図11には、ここで、開示されている半導体発光装置の構成を示す。半導体発光素子110は、サブマウント121上に設置され、その周囲には蛍光体を含ませた層135が形成されている。それらを囲むようにリフレクタ部140が形成されている。リフレクタ部140には斜面145が形成されており、高反射性膜が表面に形成されている。リフレクタ部140で囲まれた空間には、封止樹脂138が充填されている。
特開2005−166937号公報 特開2007−59781号公報
リフレクタ部は、斜面を有する部材に反射層を形成し作製される。これは予め反射層を形成した斜面を有する複数のリフレクタ部材をサブマウント上に接着することで作製される。
この作製方法自体困難なものではないが、リフレクタ部材の位置決めおよび固定には、一定の時間が必要であり、半導体発光装置をより大量にしかも低コストで作製するには、さらに容易に作製できるリフレクタ部材で、容易に作製する方法が必要である。また、リフレクタ部材は一定の大きさを有するために、半導体発光装置自体が大型化するという課題もある。本発明は上記の課題に鑑み想到されたものである。
上記課題を解決するために本発明は、金属板から打ち出しやプレスといった成型で作製されるリフレクタをサブマウント上に接合させた半導体発光素子にはめ込むだけで作製できる半導体発光装置を提供する。
本発明の半導体発光装置は、成型によって容易に作製できるリフレクタを半導体発光素子が搭載されたサブマウントに装着するだけなので、低コストで大量生産が可能な半導体発光装置を得る事ができる。また、予め半導体発光素子を考慮した形状のリフレクタを用意しておけば、装着するだけで、リフレクタを設置する際の位置決めができる。さらに、余分な大きさを必要としないため、小型化も可能である。
図1に本発明の半導体発光装置1を示す。半導体発光装置1は、サブマウント21上に、半導体発光素子10が固定され、半導体発光素子10の周囲にリフレクタ40が設置された構造である。半導体発光素子10の周囲には蛍光体含有封止層35が形成されていてもよい。また、リフレクタを設置した後、封止樹脂38で全体を被ってもよい。
半導体発光素子10は、基板上にn型層とp型層を含む発光層を積層した構造をしている。半導体発光素子10の構造は図2でより詳細に説明する。
サブマウント21には、引出電極22、23が形成される。引出電極は半導体発光素子10へ電流を印加するための電極である。半導体発光素子のn型層の側に接続するn側引出電極22とp型層の側に接続されるp側引出電極23がある。さらに、引出電極は、スルーホール26、27を介して裏面電極28、29へ接続される。この構成によって、電流は裏側電極28、29から半導体発光素子へ供給される。なお、裏面電極もn側裏面電極28とp側裏面電極29がある。
引出電極にはバンプ24、25が形成されている。引出電極同様、バンプもn型層に接続されるn側バンプ24と、p型層に接続されるp側バンプ25がある。図1ではp側バンプは複数あるが、まとめて符号25で表す。もちろんn側バンプが複数個あってもよい。
このバンプによって引出電極と半導体発光素子は電気的に接続されている。従って、このバンプは接続線である。サブマウント、引出電極、裏面電極、スルーホール、バンプを含めて支持部20と呼ぶ。なお、実施形態によっては、裏面電極や、スルーホール、バンプが支持部20から省略される場合もある。
サブマウント21は、シリコンツェナーダイオード、シリコンダイオード、シリコン、窒化アルミニウム、アルミナ、その他のセラミック等を用いることができる。
スルーホールはサブマウントに穿たれた貫通孔で、内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を含む。裏面電極28、29は、スルーホールと電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製される。引出電極は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いる。
バンプは半導体発光素子10をサブマウント21上に固定し、また引出電極22、23との間を電気的に結合させる役割を有する。
バンプの材料としては、金、金−錫、半田、インジウム合金、導電性ポリマーなどを用いることができるが、特に金や金を主成分とする材料が好ましい。これらの材料を用いて、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等を用いて形成することができる。
例えば、ワイヤーバンプ法で金ワイヤーを作製し、その一端をボンダーにてサブマウント上の引出電極に接着した後、ワイヤーを切断することで金バンプを形成する。また、金などの高導電性材料の微粒ナノ粒子を揮発性溶剤に分散した液をインクジェット印刷と同様な手法で印刷し、溶剤を揮発除去してナノ粒子の集合体としてのバンプを形成する液滴射出法を用いることもできる。
サブマウント21には、リフレクタ40を係止する係止部31を有してもよい。係止部31は、ボスでもよいし、カギ状になっていてリフレクタ40の下端にあけた穴と嵌合するようにしてもよい。係止部31は、半導体発光素子10の周囲にすべて配置する必要はなく、部分的でよい。また、係止部31は、リフレクタ40の下端の内側でもよいし、外側でもよい。図1の係止部31はリフレクタ40の下端の内側に形成した場合であり、係止部32はリフレクタ40の下端の外側に形成した場合を示している。
蛍光体含有封止層35は蛍光体を有し、半導体発光素子10の周囲を被うように形成される層である。蛍光体含有封止層35を形成する方法は特に限定はないが、蛍光体含有封止層用の塗料を印刷で塗布するのが、作製時間も短く簡単である。
蛍光体含有封止層35は、無機若しくは有機の蛍光体材料の粒子を樹脂もしくはガラスといった透明媒体中に分散したものである。
用いる蛍光体材料としては、例えば、半導体発光素子10が青色を発光し、半導体発光装置1自体の発光色を白色にする場合は、半導体発光素子10からの青色の光を受けて、黄色に波長を変換し放出する蛍光体である。このような蛍光体材料としては、希土類ドープ窒化物系、または、希土類ドープ酸化物系の蛍光体が好ましい。より具体的には、希土類ドープアルカリ土類金属硫化物希土類ドープガーネットの(Y・Sm)3(Al・Ga)512:Ceや(Y0.39Gd0.57Ce0.03Sm0.013Al512、希土類ドープアルカリ土類金属オルソ珪酸塩、希土類ドープチオガレート、希土類ドープアルミン酸塩等を好適に用いることができる。また、珪酸塩蛍光体(Sr1-a1-b2-xBaa1Cab2Eux2SiO4やアルファサイアロン(α−sialon:Eu)Mx(Si,Al)12(O,N)16を黄色発光の蛍光体材料として用いても良い。
媒体としては、シリコン樹脂、エポキシ樹脂及びフッ素樹脂を主成分とする樹脂を
用いることができる。特に非シリコン樹脂としては、シロキサン系の樹脂やポリオレフィン、シリコン・エポキシハイブリッド樹脂などが好適である。
なお、樹脂の代わりにゾルゲル法で作製されるガラス材料を用いることもできる。具体的には、一般式Si(X)n(R)4-n(n=1〜3)で表される化合物である。ここで、Rはアルキル基であり、Xはハロゲン(Cl、F、Br、I)、ヒドロキシ基(−OH)、アルコキシ基(−OR)から選ばれる。このガラス材の中にも蛍光体や一般式がM(OR)nで表されるアルコキシドを添加することもできる。アルコキシドを添加すると蛍光体含有封止層35自体の屈折率を調整することができ、光取り出し効率を向上させることができる。
封止樹脂38は、半導体発光素子10と、リフレクタ40を含んで固定する樹脂である。封止樹脂38は、蛍光体含有封止層35の媒体と同じ材料から選択することができる。封止樹脂38の表面は射光面36である。
図2に半導体発光素子10の断面図を、図3に電極面方向からの平面図を示す。半導体発光素子10は、基板11、n型層12、活性層13、p型層14、n側電極16、p側電極17からなる。n型層12の上方は射光面36となる。n型層12と活性層13とp型層14をまとめて発光層と呼ぶ。
基板11は、発光層を保持する役目を負う。材質としては、絶縁性のサファイアを用いることができる。しかし、発光する部分が窒化ガリウム(GaN)を母材とする場合、n型層12と基板11との界面での光の反射を少なくするために、基板11の材質として発光層と同等の屈折率を有するGaNやSiC、AlGaN、AlNを用いるのが好適である。また、発光する部分が酸化亜鉛(ZnO)を母材とする場合は、基板11の材質としてZnOを用いるのが好適である。
発光層となるn型層12と活性層13とp型層14は、基板11上に順次積層される。材質は特に制限はないが、窒化ガリウム系化合物であれば好ましい。具体的には、それぞれ、GaNのn型層12、InGaNの活性層13、GaNのp型層14があげられる。なお、n型層12やp型層14としては、AlGaNやInGaNを用いてもよい。また、n型層12と、基板11との間に、GaNやInGaNで構成したバッファ層を用いることも可能である。また、例えば、活性層13は、InGaNとGaNが交互に積層した多層構造(量子井戸構造)としてもよい。
このように積層したn型層12と活性層13とp型層14の一部から、活性層13とp型層14を除去し、n型層12を露出させる。この露出させたn型層12上に形成されたのが、n側電極16である。また、p型層14上に同じくp側電極17が形成される。つまり、活性層13とp型層14を除去し、n型層12を露出させることで、発光層とp側電極およびn側電極は基板に対して同じ側の面に形成することができる。
図3は、半導体発光素子10をn側電極とp側電極が形成された側から見た状態を示す。図では、p側電極がn側電極より多くの面積を占めている構成を示した。しかし、特にこの構成に限定されるものではなく、p側電極とn側電極の面積比やそれぞれの電極の形状はそれぞれの半導体発光素子の設計によって適宜変更されてもよい。また、n側電極16の一部は、絶縁膜を間に挟んで、除去された活性層13とp型層14の側面からp型層14とp側電極17の表面の一部を覆うように伸延させることもできる。こうすることで、後述するバンプとの接続を容易にすることができる。
p側電極17は発光層で発した光を射光面36の側に反射するために反射率の高いAgやAl、Rh等の第1の電極を用いるのがよい。p型層14とp側電極17のオーミック接触抵抗を小さくするためにp型層14とp側電極の間にPtやNi、Co等の薄膜電極層、あるいは透光性のITO(Indium Tin Oxide:インジウム・スズ酸化物)等の電極層を用いるとより望ましい。また、n側電極16はAlやTi等を用いることができる。p側電極17およびn側電極16の表面にはバンプとの接着強度を高めるためにAuやAlを用いることが望ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって、形成することができる。
半導体発光素子10のサイズは、特に限定はない。ただし、光量が大きく、面発光に近い光源とするには、全面積が広い方がよく、好ましくは一辺が600μm以上であることが望ましい。なお、半導体発光素子10の平面的な形状は方形に限定されないが、製作する上では、方形にするのが便利な場合が多い。ここで、半導体発光素子10の縦横の辺を辺9および辺8としておく。
図4には、リフレクタ40を示す。図4(a)は、射光面側から見た平面図であり、図4(b)は、A−A’の断面を表す。本発明のリフレクタは、半導体発光素子を囲むような枠状の形状をしている。リフレクタの上端41の辺43は下端42の辺44より長く、斜面45が形成されている。斜面の角度50は、通常45度に設定するのが効果的であるが、半導体発光装置の仕様によっては、他の角度であってもよい。
下端の辺44は、半導体発光素子の辺8の長さと略同一である。ここで、略同一とは、半導体発光素子の辺の長さとほぼ同じ長さであるか、より長いことを言う。リフレクタは、サブマウント上に半導体発光素子が形成された後、上から被せるように嵌め込むことで設置されるからである。長さの猶予は、50〜200μmが好ましく、より好ましくは80〜150μmが好適である。
リフレクタには、高い加工精度を要求できないため、あまり公差を小さくすると、半導体発光素子に被せられない場合も生じるからである。一方、本発明のリフレクタは、装着するだけで、設置位置が決まるセルフアライメントの機能を求めるので、公差が大きすぎても、好ましくないからである。
なお、蛍光体含有封止層35がある場合は、封止層の辺より、上記の猶予分だけ長い。蛍光体含有封止層の形成を行ってからリフレクタを設置した方が、蛍光体含有封止層の塗料でリフレクタが汚れることがないからである。
「はめあい」という観点からは、半導体発光素子10若しくは蛍光体含有封止層35が形成された半導体発光素子10に対して、組み合わせたとき常にすきまができる「すきまばめ」の状態が好ましい。ただし、サブマウント21にリフレクタ40の係止部31が設置されている場合は、その係止部に対して常にしめしろができる「しまりばめ」若しくは「すきまばめ」と「しまりばめ」の間である「中間ばめ」の状態であってもよい。
リフレクタ40は板状材料からプレスや打ち抜きと言った一体成型で形成されることができる。また、板状材料から展開形状の部材を切り出して、折り込むことで形成してもよい。以上のように形成した後、斜面45の部分に反射性の高い金属を再度形成してもよい。また、リフレクタの上端41は、方形だけでなく円形若しくは楕円形であってもよい。
本発明のリフレクタ40は、上記のような形状をしているので、全体の厚みはほぼ同一である。ここで同一とは、上端41の厚み46と、下端42の厚み47が、塑性変形若しくは誤差の範囲内で同一ということである。
また、樹脂でリフレクタの形状を製造し、斜面に当たる部分に反射性の高い金属を形成してもよい。
図5には斜面45の断面を示す。図5(a)には樹脂などの絶縁材で形成したリフレクタの表面に金属膜46を形成した様子を示す。リフレクタ40の斜面45は反射性の高い金属で形成されるのが好ましい。半導体発光素子10からの光を反射するからである。具体的にはAl、Ag、Rhやこれらの合金等が好適に用いられる。リフレクタはこれらの金属を直接使って形成してもよいし、これらの金属を斜面にスパッタや蒸着といった真空中の薄膜形成技術や、メッキといった方法によって形成することができる。
図5(b)には、リフレクタを高反射性の金属で作製した場合に、その下端の部分を示す。リフレクタを金属で形成した場合には、下端42の辺には絶縁膜48が形成されてもよい。リフレクタはサブマウント上に配置されるが、サブマウント上にはp側およびn側の引出電極が形成されている。一方、リフレクタの斜面は、光反射性を高くする必要がある。反射性の高いものは、金属である場合が多く、導電性を有する材料が多い。従って、p側およびn側の引出電極間がショートしないように、絶縁膜48を形成するのが好ましい。
絶縁膜48は、樹脂若しくはガラスといった絶縁材料を用いることができる。リフレクタを設置した後に、封止樹脂38を形成する場合は、封止樹脂38のガラス転位温度より高い材料が好ましい。封止樹脂を形成する際に、絶縁膜48が溶融し、リフレクタが電極と触れてしまうことがあるからである。
図4を再び参照して、リフレクタ40には、切欠き49が施されていてもよい。切欠きとは、リフレクタの一部を切り取った部分をいう。
切欠きは、リフレクタを固定するための係止部31を有するサブマウント21に、リフレクタが嵌合する際の余裕となる。すなわち、はめあいという観点からは、この切欠き49によって、リフレクタ下端が変形し、係止部31と嵌合しやすくなる。また、切欠き49は、リフレクタを設置した後、封止樹脂を形成する際に、リフレクタの裏側51にも樹脂が回り込みやすくする。図4では、切欠き49は1箇所に示したが、切欠きを形成する場所および形状、大きさは特に限定されるものではない。
図6および図7には、本発明の製造方法の工程を示す。サブマウント21には予めn側引出電極22とp側引出電極23を形成しておく。作製時は、サブマウント21の部材上にまとめて形成しておけばよい。次に引出電極上にバンプ24、25を形成する(図6(a))。
半導体発光素子のn側電極16とp側電極17がそれぞれn側バンプ24とp側バンプ25に接続するように半導体発光素子を接着する(図6(b))。なお、ここではサブマウント側にバンプを形成する場合を例としたが、バンプはメッキ法などの方法で、発光素子側に形成し、バンプ付き発光素子をサブマウント上の引出電極に接着するようにしてもよい。蛍光体含有封止層35を形成する場合は、半導体発光素子を接着した後、印刷などの方法で、蛍光体含有封止層を形成する(図6(c))。
その後、予め作製しておいたリフレクタ40をはめ込み設置する(図7(d))。リフレクタを嵌め込んだ後に、封止樹脂38で封止し(図7(e))、切断し半導体発光装置1が完成する(図7(f))。サブマウントに係止部が形成されていない場合でも、封止樹脂38によってリフレクタは固定させることができる。
図8乃至10には、本発明の半導体発光装置の他のバリエーションを示す。図8には封止樹脂38の射光面36に、反射防止層37が形成されている半導体発光装置を示す。
反射防止処理は射光面36での全反射によって光が閉じ込められる現象を緩和させるために設けられる処理である。
具体的には射光面に微小な凹凸構造を設ける。微小な凹凸構造は封止樹脂38と外部との境界面を複雑な形状にすることで、全反射する光を少なくし、外部に取り出せる光の量を増やす効果がある。
微小凹凸構造の形成は、いくつかの方法があり、どの方法を用いても構わない。具体的には、封止樹脂を硬化させた後に、ブラスト加工により射光面36に凹凸形成することができる。
また、インクジェット印刷法により射光面の表面に凹凸構造を作製することもできる。この方法は射光面をエッチングする工程を含まないので簡便に行うことができる。また、インクに仕込む凹凸構造を作製する材料の屈折率を調整することで、さらに光取出し効果を向上させる事もできる。
また、ある程度の機械的な応力が許される場合は、ナノインプリントなどによる機械的な加工方法を用いることもできる。ナノインプリントにおいては、封止樹脂を一旦硬化させた後、表面を研磨平坦化し、研磨表面に薄く液状樹脂を塗布して膜を形成し、この膜に対してナノインプリントを実施して凹凸を形成することもできる。なお、反射防止処理は、蛍光体含有封止層35の表面や、半導体発光素子の基板11の表面に施しても良い。
図9は封止樹脂38が半円状をしている場合を示す。封止樹脂が半円状であれば、反射防止処理は特に必要ない。半導体発光素子から出た光が全反射する角度で封止樹脂表面に入射する場合は少ないからである。
図10は蛍光体含有封止層35を配置していない場合を示す。リフレクタ40は、封止樹脂38によって固定されている。サブマウントに係止部がある場合は、封止樹脂がなくてもよい。
以上のように本発明の半導体発光装置は、予め一体成型などが可能なリフレクタを作製しておき、それを半導体発光素子に被せるだけで、リフレクタを形成したので、製造が容易であり、しかも小型化が可能である。
なお、本明細書を通じてAlはアルミニウム、Nは窒素、Cは炭素、Oは酸素、Agは銀、Rhはロジウム、Ptは白金、Niはニッケル、Coはコバルト、Tiはチタン、Auは金、Yはイットリウム、Smはサマリウム、Ceはセリウム、Srはストロンチウム、Baはバリウム、Caはカルシウム、Euはユウロピウム、Mgはマグネシウム、Gaはガリウム、Inはインジウム、Siはシリコンを表す。
本発明は、基板の一方の面にn側電極とp側電極を設け、基板の反対の面を射光面とする半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に利用する事が出来る。
本発明の半導体発光装置の構成を表す図 半導体発光素子の断面示す図 半導体発光素子を電極側から見た平面図 リフレクタを示す図 リフレクタの斜面の構造を示す図 本発明の半導体発光装置の作製工程を示す図 本発明の半導体発光装置の作製工程を示す図 射光面に反射防止処理を行った本発明の半導体発光装置を示す図 封止樹脂が半円である本発明の半導体発光装置を示す図 蛍光体含有封止層がない場合の本発明の半導体発光装置を示す図 従来の半導体発光装置の構成を表す図
符号の説明
1 半導体発光装置
10 半導体発光素子
12 n型層
13 活性層
14 p型層
16 n側電極
17 p側電極
20 支持部
21 サブマウント
22 n側引出電極
23 p側引出電極
24 n極バンプ
25 p極バンプ
26、27 スルーホール
31 係止部
35 蛍光体含有封止層
40 リフレクタ

Claims (6)

  1. p側引出電極とn側引出電極を有するサブマウントと、
    前記サブマウント上に配置され、前記p側引出電極とn側引出電極に接合するp側電極とn側電極を一方の面に有する半導体発光素子と、
    前記発光素子の周囲に配置され、上端と下端の厚みが略同一であるリフレクタを有する半導体発光装置。
  2. 前記半導体発光素子の周囲には蛍光体含有封止層を有する請求項1記載の半導体発光装置。
  3. 前記リフレクタは、導電性を有する金属であり、かつ前記リフレクタの下端には絶縁膜が形成される請求項1若しくは2のいずれかの請求項に記載された半導体発光装置。
  4. 前記リフレクタは切欠きを有する請求項1若しくは2のいずれかに記載の半導体発光装置。
  5. 前記サブマウントは、前記リフレクタと嵌合する係止部を有する請求項1もしくは2のいずれかに記載された半導体発光装置。
  6. 前記リフレクタの周囲に封止樹脂が配置された請求項1若しくは2のいずれかに記載された半導体発光装置。
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