JP2010010474A

JP2010010474A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010010474A
Application number: JP2008169111A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishizono; 和博西薗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】発光素子からの熱によって生じる外部への液体の流出を抑制した発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の発光装置は、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光素子２０と、発光素子２０が底面２３ｃに実装された収納室を有するパッケージ２３と、発光素子２０との間に空間を介して、パッケージ２３の収納室を密閉する第1の透光性カバー２５と、第１の透光性カバーの外側に配置された第２の透光性カバー２６と、空間に封入された液体２４と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子を具備する発光装置に関する。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が盛んに行われている。このような発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体を有している。

図６に、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子を用いた発光装置の概略的な断面図を示す。図６中の発光素子１０は、基板１０ａ上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体層１０ｂに電極１０ｃおよび１０ｄが形成されている。これらの電極からそれぞれワイヤーボンディング１１により回路基板１２上の所定の場所に電気的接続がなされている。パッケージ１３と発光素子１０の空間１４は、エポキシ系やシリコーン系の樹脂などが充填されている（特許文献１参照）。

また、特許文献２には、樹脂のかわりに、液体によりパッケージと発光素子との間に発光素子を充填し、その上に透光性カバーを設けた発光装置が開示されている（特許文献２参照）。
特開平１０−０９３１４６号公報特開２００３−３４７６０１号公報

しかし、特許文献１に記載された発光装置は、空間１４に充填されている樹脂が発光素子１０により発光された光によって、次第に劣化し、光の透過率が減少して時間と共に出力が低下する傾向があった。また、発光素子１０を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と樹脂の熱膨張係数が異なるため、熱により発光素子またはボンディングのためのワイヤに応力が付加され、断続的な発光を繰り返すことで、ワイヤの剥がれまたは発光素子自体へのダメージが懸念され、断線および出力が低下する傾向があった。

また、特許文献２に記載された発光装置では、封止に樹脂を使用しないため劣化による寿命の低下を抑制することができる。しかし、発光素子で発生した熱によって液体が膨張し、透光性カバーが液体により押し上げられて透光性カバーとパッケージとの間に隙間が生じ、結果として液体が流出する傾向があった。さらに、発光装置の外部の水分等が透光性カバーに浸透して内部の液体に悪影響を与える傾向があった。

従って、本発明の目的は、発光素子からの熱によって生じる外部への液体の流出を抑制した発光装置を提供することである。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光素子と、前記発光素子が底面に実装された収納室を有するパッケージと、前記発光素子との間に空間を介して、前記パッケージの前記収納室を密閉する第1の透光性カバーと、前記第１の透光性カバーの外側に配置された第２の透光性カバーと、前記空間に封入された液体と、を具備する発光装置に関する。

前記発光素子が光を出射する箇所を有し、前記箇所の屈折率ｎ１と前記液体の屈折率ｎ２は、ｎ２≦ｎ１の関係を示すことが好ましい。

前記液体は、前記発光素子から発せられる光の波長に対して透過率が５０％以上であり、かつ絶縁性を有することが好ましい。

前記液体は、前記発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含むとともに、白色光を発することが好ましい。

前記第１の透光性カバーまたは前記第２の透光性カバーは、前記発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含むとともに、白色光を発することが好ましい。

前記第１の透光性カバーがガラスから構成され、前記第２の透光性カバーが樹脂から構成されることが好ましい。

本発明の発光装置によれば、第１の透光性カバーにより密閉した収納室に液体を保持し、さらに、第１の透光性カバーの外側に第２の透光性カバーを配置させることにより、液体の熱膨張による第１の透光性カバーの押し上げを抑制し、封止する液体の密閉性を高めて、液体を保持することができる。また、第２の透光性カバーが第１の透光性カバーの外部に設けられていることにより、発光装置外部からの水分の浸入を遮断して発光装置内の液体に影響を与えないようにすることができる。

光を出射する箇所の屈折率ｎ１と前記液体の屈折率ｎ２は、ｎ２≦ｎ１の関係を示すことが好ましい。これにより、前記箇所と前記液体との界面にて生じる発光装置内部への光の反射量を減らすことができる。

また、本発明の発光装置は、封止する液体が、発光素子から発せられる光の波長に対して透過率が５０％以上であり、かつ絶縁性を有していることが好ましい。これにより、発光素子から発せられる光の吸収を抑制でき、光を効果的に取り出すことが可能となる。また、液体が絶縁性を有しており、パッケージ内にて多くの素子をはんだ実装した場合に、はんだ間にまで液体が浸透し、絶縁性を確保することができる。この構成によりフリップチップ構造にした場合に特に効果を示す。従って、一般的に行われているような、発光素子表面に酸化シリコン(ＳｉＯ_２)や窒化シリコン(ＳｉＮ)などの絶縁部を改めて形成する必要がない。

また、液体は、発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含んでおり、白色光を発することが好ましい。これにより、樹脂中に蛍光体を分散させる構造の発光装置で生じていた、樹脂と蛍光体との熱膨張差による蛍光体表面の劣化を抑制できる。従って液体中に蛍光体を分散させることにより寿命の長い、発光効率の高い発光装置を得ることが可能となる。

また、第１の透光性カバーまたは第２の透光性カバーは、発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含んでおり、白色光を発する発光装置となるため、発光素子で発した光を効果的に所望の波長に変換することができる。

第１の透光性カバーがガラスから構成され、第２の透光性のカバーが樹脂から構成される発光装置であるが好ましい。これにより、ガラスから構成される第１の透光性カバーが液体を封止し、発光素子から生じた熱による第２の透光性カバーへの伝達を抑制する。さらに、樹脂から構成される第２の透光性カバーが、熱による液体の膨張による第１の透光性カバーの押し上げを緩和して、液体の外部への漏れを抑制できる。よって、信頼性が高く、寿命の長い発光装置とすることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の発光装置を詳細に説明する。

図１は、本発明の発光装置の第１の実施の形態の示す断面図である。図１において、２０は発光素子、２１はボンディングワイヤ、２２は回路基板、２３はパッケージ、２４は液体、２５は第１の透光性カバー、および２６は第２の透光性カバーをそれぞれ示す。また、２０ａは基板、２０ｂはＩＩＩ族窒化物半導体、ならびに、２０ｃおよび２０ｄは発光素子２０の電極をそれぞれ示す。

本発明の発光装置は、発光素子２０と、パッケージ２３と、第１の透光性カバー２５と、第２の透光性カバー２６と、液体２４と、を具備する。

以下にそれぞれの構成について説明する。

（発光素子）
図１において発光素子２０は、基板２０ａと、ＩＩＩ族窒化物半導体２０ｂと、電極２０ｃおよび２０ｄと、から構成される。

基板２０ａは、ＩＩＩ族窒化物半導体２０ｂを成長させることが可能な基板であればよい。具体的に、基板２０ａとしては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等が挙げられる。基板２０ａの厚みとしては、１００μｍ〜１０００μｍ程度である。

III族窒化物半導体２０ｂとは、元素周期律表におけるIII族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体を意味する。III族窒化物半導体は化学式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦1、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。III族窒化物半導体としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが挙げられる。

III族窒化物半導体２０ｂは、第１導電型の半導体層、発光層となる活性層、第２導電型の半導体層から構成される。

第１導電型の半導体層としては、ｎ型の窒化物半導体層が挙げられる。窒化物半導体層をｎ型とするには、元素周期律表においてIV族の元素であるＳｉ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第１導電型の半導体層の厚みは２〜３μｍ程度である。

また、第２導電型の半導体層としては、ｐ型の窒化物半導体が挙げられる。窒化物半導体層をｐ型とするには、元素周期律表においてII族の元素であるＭｇ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第２導電型の半導体層の厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。

発光層は、第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層との間に設けられる。発光層は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回（例えば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前記障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが挙げられる。また、井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが挙げられる。障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度である。発光層３ｂの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。

基板２０ａ上におけるIII族窒化物半導体２０ｂの成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ；ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ；ＰｕｌｓｅＬａｓｅｒ）法等が用いられる。

発光素子２０は光を出射する箇所２７（以下、出射箇所２７とする）を有する。なお箇所２は、図１の場合、III族窒化物半導体２０ｂの上面および側面の両方を示す。出射箇所２７における屈折率ｎ１は、例えば、２．０〜２．５である。

電極２０ｃは第１導電型の半導体層に用いられる。また、電極２０ｄは第２導電型の半導体層に用いられる。電極２０ｃおよび２０ｄとしては、例えば、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ₂），酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金，金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金，金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金，金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金等の薄膜を好適に用いることができる。

図１に示す発光装置は、発光素子２０と電気的に接続する回路基板２２を有する。回路基板２２は、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)等の基板上に配線パターンが形成されてなる。回路基板２２の厚みは０．５〜３ｍｍ程度であり、この範囲内にあれば発光素子からの発熱による熱およびハンドリング時の応力に対して十分な強度を持ち、かつ高い放熱特性を有する。

図１において発光素子２０および回路基板２２は、ボンディングワイヤ２１により接続されている。ボンディングワイヤ２１は好適には金（Ａｕ）線が用いられる。

基板２０ａが導電性を有する場合、発光素子２０は直接、回路基板２２と電気的に接続することが可能である。

また、フリップチップ構造の場合にも、ボンディングワイヤ２１を用いることなく、金−スズ(Ａｕ−Ｓｎ)などによるバンプを介して発光素子２０と回路基板２２とを電気的に接続させることも可能である。

（パッケージ）
パッケージ２３は、発光素子２０が底面２３ａに実装された収納室を有する。図１において収納室は、パッケージ２３に設けられた凹部の底面２３ａ、凹部の側面２３ｂおよび第１の透光性カバー２５によって囲まれた領域をいう。図１において、底面２３ａには、発光素子２０および回路基板２２が配置されている。

パッケージ２３は、回路基板２２と同様に、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)等から構成される。側面２３ｂは、発光素子２０から発した光を効果的に上面に反射させるために傾斜していてもよく、さらに銀，アルミニウム，ロジウム等から成る金属層から成る光反射層を形成して、光取り出し効率を向上させてもよい。

（透光性カバー）
第１の透光性カバー２５は、発光素子２０との間に空間を介して、パッケージ２３の収納室を密閉する。なお、この空間には後述する液体２４が封入している。第１の透光性カバー２５はガラスから構成され、第２の透光性カバー２６は樹脂から構成されることが好ましい。

また、第２の透光性カバー２６は、第１の透光性カバー２５の外側に配置される。このように、液体２４を封入する第１の透光性カバー２５の外側に第２の透光性カバー２６が設けられることで、第２の透光性カバーにより、液体の熱膨張による第１の透光性カバーの押し上げを抑制し、封止する液体の密閉性を高めて、液体を保持することができる。また、第２の透光性カバーが第１の透光性カバーの外部に設けられていることにより、発光装置外部の水分を遮断して液体に影響を与えないようにすることができる。

第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６は、図１に示すように、パッケージ２３に設けられた段差部２３ｃ上に重ねて配置される。

また、図２に示すように、第１の透光性カバー２５をパッケージ２３の段差部２３ｃに設置し、第１の透光性カバー２５上に第２の透光性カバー２６を密着させ、第２の透光性カバーの端部をパッケージ２３の上面に載せるように設置してもよい。これにより第２の透光性カバー２６に硬度が高く、熱膨張係数が大きい材質を使用する場合、応力がかかりにくい構造となり、透光性カバー２６の割れやクラックを防止することができる。

さらに、図３に示すように、第１の透光性カバーおよび第２の透光性カバーの両方をパッケージ２３の上面に配置することが好ましい。これにより、第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６のいずれも硬度が高く、熱膨張係数が大きい材質を使用した場合にも、応力がかかりにくい構造となり、第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６の割れやクラックを防止することができる。

図１〜３に示す第１の透光性カバー２５と第２の透光性カバー２６との配置関係は、図１に示す態様が好ましい。図１に示すように、パッケージ２３に設けられた凹部に第１透光性カバー２５および第２透光性カバー２６の両方が設けられていることにより、第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６の側部が両方とも、パッケージ２３によって十分に保護されるため、液体２４の漏れを効果的に抑制できる。

第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６はそれぞれ、液体２４との界面、発光装置の外部の空気との界面において光取り出し効率をさらに高めるために、その表面に凹凸が形成されることが好ましい。なお、凹凸形状は円錐形状などの錐形状、円柱形状などの柱状、半球状など、特に限定されることはない。このような形状はドライエッチング法、ウェットエッチング法などによって形成することができる。

第１の透光性カバー２５はガラスから構成されることが好ましい。また、第２の透光性カバー２６は樹脂から構成されることが好ましい。具体的に、ガラスとしては石英系のガラス，硼珪酸系のガラス等が挙げられる。また、ガラスの性質に近いもの（ガラスと同等の絶縁性および硬度を有していればプラスチック材料でも構わない。これにより、ガラスから構成される第１の透光性カバーが液体を封止し、発光素子から生じた熱による第２の透光性カバーへの伝達を抑制する。さらに、樹脂から構成される第２の透光性カバーが、熱による液体の膨張によって生じる第１の透光性カバーの押し上げを、樹脂の弾性により緩和して、液体の外部への漏れを抑制できる。よって、信頼性が高く、寿命の長い発光装置とすることが可能となる。

具体的に、樹脂としては、エポキシ系の樹脂、シリコーン系の樹脂により構成されるが、発光素子２０から発せられる光の波長が紫外もしくは近紫外領域と短波長であれば、劣化が小さいためシリコーン系樹脂が好ましい。

第１の透光性カバー２５の厚みは約１００〜１０００μｍである。また、第２の透光性カバー２６の厚みは約５００〜２０００μｍである。

第１の透光性カバー２５または第２の透光性カバー２６は、図５に示すように発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体２７を含むことができる（なお、図５は、第２の透光性カバー２６に蛍光体２７を含む発光装置の断面図である）。

具体的に、赤色蛍光体としては、La₂O₂S;Eu，緑色蛍光体としてはZnS:Cu,Al，青色蛍光体としてはBaMgAl₁₀O₁₇:Eu等が挙げられる。

透光性カバーに蛍光体２７を含ませることにより白色光を発する発光装置となるため、蛍光体の量を多く含有させることができ、発光素子で発した光を効果的に所望の波長に変換することができる。蛍光体２７は第１の透光性カバー２５および第２の透光性カバー２６の両方に含まれていてもよい。また、この際、両方に含まれる蛍光体の種類は必ずしも同じである必要はなく、発光素子２０の発光する光を受けて、それぞれ異なる波長に変換する蛍光体を含んでいても良い。

蛍光体の量を多く含む構造は、特に発光素子からの発光波長が紫外から近紫外領域で蛍光体として赤色、緑色、青色の３色を用い白色光を得るタイプの発光装置において効果を得ることが可能となる。

（液体）
液体２４は、第１の透光性カバー２５と発光素子２０との間の空間を封入される。液体２４は絶縁性を有している。そして、液体２４の屈折率ｎｌは、発光素子２０の光を出射する箇所２７の屈折率ｎｓよりも小さい。このような液体としては、シリコーンオイル、ジメチルシリコーンオイル、オレインアミンまたはドデシルアミンから構成される液体、イマージョンオイルなど高分子液体などが挙げられる。

液体２４の屈折率ｎ２は、１．２〜２．０である。

なお、液体２４の屈折率は、液体２４の中に金属微粒子、酸化物微粒子または化合物微粒子を混合して調製される。これらの微粒子を混入させることで、屈折率の調製だけでなく、微粒子による光の分散によって光の光路を変化させ、光の取り出し効率を向上させることも可能となる。

出射箇所２７の屈折率ｎ１と前記液体の屈折率ｎ２は、ｎ２≦ｎ１の関係を示すことが好ましい。さらに、第１の透光性カバー２５の屈折率をｎ３、第２の透光性カバー２６の屈折率をｎ４とすると、屈折率がそれぞれｎ４≦ｎ３≦ｎ２≦ｎ１の関係を示すことが好ましい。これにより、光が進行するにつれ、屈折率の変化が滑らかになり、半導体内部への光の反射量を減らすことができる。

発光素子から発せられる光の波長に対して透過率が５０％以上であることが好ましい。これにより、発光素子から発せられる光の吸収を抑制でき、光を効果的に取り出すことが可能となる。また、液体が絶縁性を有していることが好ましい。これにより、パッケージ内に多くの素子をはんだ実装した場合に、はんだ間にまで液体が浸透し、絶縁性を確保することができる。このため、いわゆるフリップチップ構造にした場合に特に効果を示す。従って、一般的に行われているような、発光素子表面に酸化シリコン(ＳｉＯ_２)や窒化シリコン(ＳｉＮ)などの絶縁部を改めて形成する必要がない。

図４は本発明の発光装置について第２の実施の形態を示す断面図である。図４において発光装置は第１の実施の形態と同様の構成における液体２４中に発光層から発した光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体２７を含有している。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。また、蛍光体２７についても前述した図５の説明にて示したものと同様である。

蛍光体２７は、発光素子２０から発生した光を、例えば、白色光に変換する場合には、発光素子２０から発生する光が青色光であれば、黄色蛍光体または赤色蛍光体を混合する。または、赤色蛍光体と緑色蛍光体を混合したものを用いることができる。また、発光素子２０から発生する光が紫色光または紫外光であれば、赤色蛍光体，緑色蛍光体，青色蛍光体の３原色の蛍光体を混合することによって、白色光を発生する発光装置とすることができる。

また、これらの蛍光体の配合を変えることにより、色温度を変えることが可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

本発明の発光装置の一つの実施の形態を示す断面図である。本発明の発光装置について第１の実施の形態における異なる透光性カバーの配置状態を示す断面図である。本発明の発光装置について第１の実施の形態における異なる透光性カバーの配置状態を示す断面図である。本発明の発光装置の一つの実施の形態を示す断面図である。本発明の発光装置の一つの実施の形態を示す断面図である。従来の窒化ガリウム系化合物半導体から構成される発光素子を用いた発光装置の断面図である。

符号の説明

１０、２０：発光素子
１０ａ、２０ａ：基板
１０ｂ、２０ｂ：窒化ガリウム系化合物半導体層
１０ｃ、１０ｄ、２０ｃ、２０ｄ：電極
１１、２１：ワイヤーボンディング
１２、２２：回路基板
１３、２３：パッケージ
２３ａ：底面
２３ｂ：壁面
２３ｃ：段差部
１４：パッケージと発光素子の空間
１５：蛍光体シート
２４：液体
２５：第１の透光性カバー
２６：第２の透光性カバー
２７：蛍光体

Claims

ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光素子と、
前記発光素子が底面に実装された収納室を有するパッケージと、
前記発光素子との間に空間を介して、前記パッケージの前記収納室を密閉する第1の透光性カバーと、
前記第１の透光性カバーの外側に配置された第２の透光性カバーと、
前記空間に封入された液体と、
を具備する発光装置。
前記発光素子が光を出射する箇所を有し、
前記箇所の屈折率ｎ１と前記液体の屈折率ｎ２は、
ｎ２≦ｎ１
の関係を示す請求項１記載の発光装置。
前記液体は、前記発光素子から発せられる光の波長に対して透過率が５０％以上であり、かつ絶縁性を有する請求項１または２記載の発光装置。
前記液体は、前記発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含むとともに、白色光を発する請求項１乃至３のいずれか記載の発光装置。
前記第１の透光性カバーまたは前記第２の透光性カバーは、前記発光素子から発せられる光の波長を受けて、波長を変換し得る蛍光体を含むとともに、白色光を発する請求項１乃至４のいずれか記載の発光装置。
前記第１の透光性カバーがガラスから構成され、前記第２の透光性カバーが樹脂から構成される請求項１乃至５のいずれか記載の発光装置。