JP2009289918A

JP2009289918A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2009289918A
Application number: JP2008139830A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Sato; 弘樹佐藤; Natsuko Matsudo; 夏子松土
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】小型かつ安価にして、正面輝度が高く、しかも狭小化された配光特性を有する半導体発光装置を提供する。
【解決手段】発光層１２及び当該発光層１２が発光する光Ｌに対して透明な半導体基板１１を備えた半導体発光素子１と、半導体発光素子１の実装基板２と、実装基板２に半導体発光素子を固定する接着層３とを備えた半導体発光装置において、実装基板３の発光素子実装面２ａを、発光層１２が発光する光Ｌに対して高い正反射率を有する物質を用いて形成すると共に、微細な凹凸の集合からなる粗面５に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光装置に係り、特に、半導体発光素子の発光層から裏面方向（半導体基板方向）に放射される光の有効利用を図り、配光特性の狭小化（広がりの幅を狭くすること）と正面輝度の向上とを図る手段に関する。

従来、密着型の画像読取装置に組み込まれる照明装置として、図９に示すように、表面に銀メッキ１０１が施されたリードフレーム１０２に半導体発光素子１０３を実装してなる発光ユニットを適用したものが提案されている（特許文献１参照。）。なお、図９において、符号１０３ａは半導体発光素子１０３の発光層、符号１０３ｂは半導体発光素子１０３の半導体基板、符号１０４はリードフレーム１０２に半導体発光素子１０３を接着する接着層、符号１０５はリードフレーム１０２と半導体発光素子１０３とを電気的に接続するボンディングワイヤを示している。

特許文献１に開示の技術は、表面に銀メッキ１０１が施されたリードフレーム１０２に半導体発光素子１０３を実装するので、半導体発光素子１０３の発光層１０３ａからその裏面方向に放射される光Ｌをリードフレーム１０２の表面に施された銀メッキ１０１により反射して、リードフレーム１０２と対向する面の方向に向けることができ、銀メッキ１０１を有しないものに比べて、発光ユニットの正面輝度を高めることができる。
特開２００３−３３２６２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、平滑なリードフレーム１０２の表面に銀メッキ１０１を施してなるので、図９に示すように、半導体発光素子１０３の法線方向に対して大きな角度で発光層１０３ａの裏面側に放射された光Ｌ１が、銀メッキ１０１にて全反射されて外向きの光に変換されてしまい、発光ユニットの配光特性を狭小化することができないという問題がある。

なお、半導体発光素子１０３と対向にドーム状の反射面やレンズなどを配置して、発光層１０３ａからの発光を集光すれば、発光ユニットの正面輝度を高めることができ、かつ発光ユニットの配光特性を狭小化することができるが、その反面、半導体発光装置が大型化したり、高コスト化するという別の不都合を生じる。

本発明は、かかる技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型かつ安価にして、正面輝度が高く、しかも狭小化された配光特性を有する半導体発光装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、発光層及び当該発光層が発光する光に対して透明な半導体基板を備えた半導体発光素子と、当該半導体発光素子が実装される実装基板と、当該実装基板に前記半導体発光素子を固定する接着層とを備えた半導体発光装置において、前記実装基板の発光素子実装面を、前記発光層が発光する光に対して高い正反射率を有する物質を用いて形成すると共に、微細な凹凸の集合からなる粗面に形成するという構成にした。

かかる構成によると、実装基板の発光素子実装面を、単に発光層が発光する光に対して高い正反射率を有する物質を用いて形成するだけでなく、その表面を微細な凹凸の集合からなる粗面に形成するので、半導体発光素子の法線方向に対して大きな角度で発光層の裏面側に放射された光を、粗面で反射させて上向きの光に変換することができる。したがって、半導体発光装置の配光を狭小化することができ、その正面輝度を高めることができる。また、ドーム状の反射面やレンズなどの集光部品を必要としないので、装置の大型化や高コスト化を防止できる。

本発明は第２に、前記第１の半導体発光装置において、前記粗面の表面粗さが、ＪＩＳ規格の算術平均粗さＲａで、３００ｎｍ以上１００μｍ未満であるという構成にした。

実験によると、粗面の表面粗さをＲａ＝３００ｎｍ以上にすると、Ｒａ＝２００ｎｍ以下である場合に比べて、配光を明らかに狭小化でき、正面輝度（半導体発光素子の法線方向に対して±３０°の範囲の輝度）を５％〜１０％も高めることができる。したがって、粗面の表面粗さは、Ｒａ＝３００ｎｍ以上とすることが望ましい。一方、半導体発光素子の平面サイズは、数百μｍ×数百μｍであるので、粗面の表面粗さがＲａ＝１００μｍを超えると、実装基板に対して半導体発光素子を平行に実装することが事実上困難になる。したがって、粗面の表面粗さは、Ｒａ＝１００μｍ未満とすることが望ましい。

本発明は第３に、前記第１の半導体発光装置において、前記接着層が、白色又は前記発光層が発光する光に対して透明な樹脂材料からなるという構成にした。

接着層を白色の樹脂材料をもって形成すると、発光層の裏面側に放射された光を接着層で反射させて上向きの光に変換できるので、半導体発光素子の配光を狭小化できて、その正面輝度を高めることができる。また、接着層を発光層が発光する光に対して透明な樹脂材料をもって形成すると、発光層の裏面側に放射された光が、接着層を透過して実装基板に達するので、その光を実装基板に形成された粗面で反射させて上向きの光に変換でき、半導体発光装置の配光の狭小化と、正面輝度の向上とを図ることができる。

本発明の半導体発光装置は、実装基板の発光素子実装面を、発光層が発光する光に対して高い光反射率を有する物質を用いて形成すると共に、その表面を微細な凹凸の集合からなる粗面に形成するので、半導体発光素子の法線方向に対して大きな角度で発光層の裏面側に放射された光を、凹凸の表面で反射させて上向きの光に変換することができる。よって、装置を大型化及び高コスト化することなく、半導体発光装置の配光の狭小化と、正面輝度の向上とを図ることができる。

以下、実施形態に係る半導体発光装置の構成を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は実施形態に係る半導体発光装置の断面図、図２は実施形態に係る実装基板の表面状態を示す要部拡大断面図である。

図１に示すように、実施形態に係る半導体発光装置は、半導体発光素子１と、半導体発光素子１の実装基板２とから主に構成されている。半導体発光素子１は、接着層３を介して実装基板２の発光素子実装面２ａに接着され、これら半導体発光素子１と実装基板２とは、ボンディングワイヤ４を介して電気的に接続されている。

半導体発光素子１は、平面サイズが数百μｍ×数百μｍの四角形に形成された半導体基板１１と、当該半導体基板１１の主面上に形成された発光層を含む所要の半導体層１２とからなる。なお、以下の説明においては、説明及び理解を容易にするため、半導体層１２を便宜的に「発光層１２」と表記することがある。半導体基板１１は、発光層１２からの発光Ｌに対して透明な材料をもって形成される。例えば発光層１２が、可視光を発光する窒化ガリウム（ＧａＮ）をもって形成される場合、半導体基板１１としては、サファイア基板が用いられる。なお、半導体層１２の積層構造及び半導体層１２を構成する半導体材料には、特に限定があるものではなく、公知に属する任意の積層構造及び材質を適用することができる。

実装基板２は、少なくとも半導体発光素子１の実装面２ａが、発光層１２からの発光Ｌに対して７０％以上の正反射率を有する高反射率材料をもって形成される。具体的には、発光層１２から発光される光の波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍである場合、少なくとも半導体発光素子１の実装面２ａは、金、銀、アルミニウム、チタン及びこれらの金属材料を主成分とする合金などをもって形成される。また、この半導体発光素子１の実装面２ａは、図２に示すように、微細な凹凸の集合からなる粗面５に形成される。この粗面５は、発光層１２から発光される光Ｌの配光を制御するものであり、その表面粗さは、ＪＩＳ規格の算術平均粗さＲａで、３００ｎｍ以上１００μｍ未満に調整される。

即ち、実験によると、粗面５の表面粗さをＲａ＝３００ｎｍ以上にすると、Ｒａ＝２００ｎｍ以下である場合に比べて、発光層１２から発光される光Ｌの配光を明らかに狭小化でき、正面輝度（半導体発光素子１の法線方向に対して±３０°の範囲の輝度）を５％〜１０％も高めることができる。一方、半導体発光素子１の平面サイズは、上述のように数百μｍ×数百μｍであるので、粗面５の表面粗さがＲａ＝１００μｍを超えると、実装基板２に対して半導体発光素子１を平行に実装することが事実上困難になる。したがって、粗面の表面粗さは、Ｒａ＝３００ｎｍ以上１００μｍ未満とすることが望ましい。

このように、実装基板２における半導体発光素子１の実装面２ａを、発光層１２からの発光Ｌに対して７０％以上の正反射率を有する高反射率材料をもって形成すると共に、微細な凹凸の集合からなる粗面５に形成すると、図２に示すように、半導体発光素子１の法線方向に対して大きな角度で発光層１２の裏面側に放射された光Ｌ１についても、粗面５で反射して上向きの光に変換できるので、発光層１２からの配光を狭小化でき、半導体発光装置の正面輝度を高めることができる。

接着層３は、白色又は発光層１２が発光する光Ｌに対して透明な樹脂材料をもって形成される。接着層３を白色の樹脂材料をもって形成すると、発光層１２の裏面側に放射された光を接着層３で反射させて上向きの光に変換できるので、半導体発光素子１の配光を狭小化でき、その正面輝度を高めることができる。また、接着層３を発光層１２が発光する光Ｌに対して透明な樹脂材料をもって形成すると、発光層１２の裏面側に放射された光Ｌが、接着層３を透過して実装基板２の表面に達するので、その光Ｌを実装基板２に形成された粗面５で反射して上向きの光に変換でき、半導体発光素子の配光の狭小化と、正面輝度の向上とを図ることができる。

以下、実施形態に係る半導体発光装置の効果を、図３乃至図８に挙げた実験結果及び写真に基づいてより詳細に説明する。

図３は、発光素子実装面２ａの表面粗さが、それぞれＲａ＝１０，２００，３００，８００ｎｍに調整された実装基板３に半導体発光素子１を実装した半導体発光装置における、半導体発光素子１の放線方向からの角度に対する光強度の変化の実験結果を示すグラフ図である。但し、発光素子実装面２ａの形成材料としては銀を用い、発光層１２から発光される光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍとした。この図から明らかなように、発光素子実装面２ａの表面粗さがＲａ＝３００，８００ｎｍに調整された半導体発光装置は、その表面粗さがＲａ＝１０，２００ｎｍに調整された半導体発光装置に比べて、配光を明らかに狭小化でき、正面輝度（半導体発光素子の法線方向に対して±３０°の範囲の輝度）を５％〜１０％も高められることが判る。これは、発光素子実装面２ａの表面粗さを大きくすると、発光層１２の裏面側に放射された光Ｌが粗面５で反射されて、上向きに変換される光量が増加するためである。

図４は、発光素子実装面２ａを銀で形成した半導体発光装置の配光特性とアルミニウムにて形成した半導体発光装置の配光特性とを比較して示すグラフ図である。但し、発光層１２から発光される光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍとした。

図５は、発光素子実装面２ａの表面粗さがＲａ＝１０程度に形成された半導体発光装置、Ｒａ＝３０〜１２０ｎｍ程度に形成された半導体発光装置、及びＲａ＝３００ｎｍ〜８００ｎｍに形成された半導体発光装置の輝度を示す写真である。この図において、正方形の部分が半導体発光素子であり、その内部の円形及び半円形の部分が端子部である。端子部を除く半導体発光素子の内部においては、明るい部分ほど輝度が高い部分である。この図から明らかなように、発光素子実装面２ａの表面粗さがＲａ＝３００ｎｍ〜８００ｎｍに形成された半導体発光装置は、その表面粗さがＲａ＝１０程度に形成された半導体発光装置及びＲａ＝３０〜１２０ｎｍ程度に形成された半導体発光装置に比べて、半導体発光素子の内部の輝度が格段に高くなっている。

図６は、発光素子実装面２ａの表面粗さがＲａ＝３２０ｎｍに形成された半導体発光装置と、Ｒａ＝８５０ｎｍに形成された半導体発光装置の輝度及び配光特性を示す写真である。この図においても、正方形の部分が半導体発光素子であり、その内部の円形及び半円形の部分が端子部であって、端子部を除く半導体発光素子の内部においては、明るい部分ほど輝度が高い部分である。この図から明らかなように、発光素子実装面２ａの表面粗さがＲａ＝３２０ｎｍに形成された半導体発光装置と、Ｒａ＝８５０ｎｍに形成された半導体発光装置とでは、輝度及び配光特性にほとんど差が見られない。

図７は、発光素子実装面２ａの一方向にのみ凹凸を形成した半導体発光素子の輝度と、発光素子実装面２ａの二方向に凹凸を形成した半導体発光素子の輝度とを比較して示す写真である。この図において、長方形の部分が半導体発光素子であり、その内部の円形及び半円形の部分が端子部である。端子部を除く半導体発光素子の内部においては、明るい部分ほど輝度が高い部分である。この図から明らかなように、発光素子実装面２ａの一方向にのみ凹凸を形成した半導体発光素子は、凹凸の形成方向に関してのみ半導体発光素子の周囲の輝度を高めることができるが、発光素子実装面２ａの二方向に凹凸を形成した半導体発光素子は、半導体発光素子の全周囲の輝度を高めることができる。

図８は、接着層３を透明樹脂にて形成した半導体発光装置の輝度と白色樹脂で形成した半導体発光装置の輝度とを比較して示す写真である。この図において、正方形の部分が半導体発光素子であり、その内部の円形及び半円形の部分が端子部である。端子部を除く半導体発光素子の内部においては、明るい部分ほど輝度が高い部分である。この図から明らかなように、接着層３を白色樹脂で形成した半導体発光装置は、接着層３を透明樹脂にて形成した半導体発光装置に比べて、半導体発光素子の内部の輝度が格段に高くなっている。

実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。実施形態に係る実装基板の表面状態を示す要部拡大断面図である。実施形態に係る半導体発光装置の光強度及び配光角を比較例に係る半導体発光装置と比較して示すグラフ図である。半導体発光素子の実装面を銀で形成した半導体発光装置の配光特性とアルミニウムにて形成した半導体発光装置の配光特性とを比較して示すグラフ図である。実施形態に係る半導体発光装置の輝度を比較例に係る半導体発光装置と比較して示す写真である。実装面の表面粗さがＲａ＝３２０ｎｍである半導体発光装置の輝度とＲａ＝８５０ｎｍ以上である半導体発光装置の輝度とを比較して示す写真である。実装面の一方向にのみ凹凸を形成した半導体発光装置の輝度と二方向に凹凸を形成した半導体発光装置の輝度とを比較して示す写真である。接着層を透明樹脂にて形成した半導体発光装置の輝度と白色樹脂で形成した半導体発光装置の輝度とを比較して示す写真である。公知例に係る半導体発光装置の断面図である。

符号の説明

１半導体発光素子
２実装基板
２ａ発光素子実装面
３接着層
４ボンディングワイヤ
１１半導体基板（サファイア基板）
１２半導体層（発光層）

Claims

発光層及び当該発光層が発光する光に対して透明な半導体基板を備えた半導体発光素子と、当該半導体発光素子が実装される実装基板と、当該実装基板に前記半導体発光素子を固定する接着層とを備えた半導体発光装置において、
前記実装基板の発光素子実装面を、前記発光層が発光する光に対して高い正反射率を有する物質を用いて形成すると共に、微細な凹凸の集合からなる粗面に形成したことを特徴とする半導体発光装置。
前記粗面の表面粗さが、ＪＩＳ規格の算術平均粗さＲａで、３００ｎｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記接着層が、白色又は前記発光層が発光する光に対して透明な樹脂材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。