JP2010199248A

JP2010199248A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010199248A
Application number: JP2009041507A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Imamura; 博司今村
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】放熱性に優れ、光出力の向上を図れる発光装置を提供する。
【解決手段】酸化亜鉛基板２ｂの一表面にｐ型窒化物半導体層２１およびｎ型窒化物半導体層２３を有するＬＥＤ薄膜部２ａを備えた半導体発光素子２と、該半導体発光素子２が実装されたベース基板１とを有し、半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂにおける前記一表面側を光取り出し面側として半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂがベース基板１に設けられた凹部１ａに嵌合され、ＬＥＤ薄膜部２ａで発生した熱が酸化亜鉛基板２ｂを介してベース基板１側に放熱されるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子を用いた発光装置に関するものである。

従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど）により形成された半導体発光素子の高効率化および高出力化の研究が各所で行われている。また、この種の半導体発光素子と、半導体発光素子から放射された光によって励起され半導体発光素子からの光よりも長波長の光を放射する蛍光体が含有された波長変換部材と、を組み合わせて半導体発光素子の発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色の光を放射する半導体発光素子である青色ＬＥＤ素子と、黄色の光を放射する蛍光体が含有された波長変換部材と、を組み合わせて白色の光が発光可能な発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。

また、近年、光出力の向上を目的として、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と、透明で導電性を有するｎ型ＺｎＯ材料からなる酸化亜鉛基板と、を接合してから、酸化亜鉛基板をエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングにより六角錐台状ないし六角錐状に加工してなる半導体発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、上記非特許文献１に開示された半導体発光素子を応用して、例えば、図７に示すように半導体発光素子２をベース基板１’に実装させて発光装置２０’を構成することができる。ここでは、ベース基板１’は、表面に酸化膜を有するＳｉ基板と前記酸化膜上に形成された導体パターン６’，６’とから構成されている。また、半導体発光素子２は、六角錐状に加工された酸化亜鉛基板２ｂにおける六角形の底面を一表面として、該一表面上にＬＥＤ薄膜部２ａを備え、ＬＥＤ薄膜部２ａは、酸化亜鉛基板２ｂに接する一表面側からＬＥＤ薄膜部２ａにおける前記一表面と反対側の表面に向かってｐ型ＧａＮ層と該ｐ型ＧａＮ層上に設けられたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層２１と、該ｐ型窒化物半導体層２１上に設けられたＩｎＧａＮ層からなる発光層２２と、該発光層２２上に設けられたｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層２３とで構成されている。

半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂにおける前記一表面上にｐ電極パッド２ｃが形成され、ＬＥＤ薄膜部２ａのｎ型窒化物半導体層２３における酸化亜鉛基板２ｂ側とは反対側にｎ電極パッド２ｄが形成されるとともに該ｎ電極パッド２ｄの形成部位以外の部位に微細凹凸構造９が形成されている。半導体発光素子２のｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄは、それぞれベース基板１’に設けられた導体パターン６’，６’と金属バンプ１０，１０を介して電気的に接続させている。

「松下電工とＵＣＳＢの新型ＬＥＤ，外部量子効率８０％を目指す」，日経エレクトロニクス，日経ＢＰ社，２００８年２月１１日，ｐ．１６−１７

ところで、図７に例示した発光装置２０’では、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａで発生する熱が、ＬＥＤ薄膜部２ａに近いベース基板１’に、半導体発光素子２と電気的に接続される金属バンプ１０，１０を介して放熱されることになる。

そのため、半導体発光素子２におけるＬＥＤ薄膜部２ａからベース基板１’への放熱経路の断面積が小さく半導体発光素子２からの熱を効率よくベース基板１’側に放熱することが難しい。このような場合、半導体発光素子２におけるＬＥＤ薄膜部２ａのジャンクション温度の温度上昇を抑制するために入力電力が制限され、発光装置２０’の光出力の向上が制限される。特に、例えば、照明用途に用いられる場合のような光出力のより高い発光装置が求められる現在においては、さらなる特性向上が求められている。

本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性に優れ、より光出力の向上を図れる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、酸化亜鉛基板の一表面にｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を有するＬＥＤ薄膜部を備えた半導体発光素子と、該半導体発光素子が実装されたベース基板とを有し、前記半導体発光素子は、前記酸化亜鉛基板における前記一表面側を光取り出し面側として前記半導体発光素子の前記酸化亜鉛基板が前記ベース基板に設けられた凹部に嵌合され、前記ＬＥＤ薄膜部で発生した熱が前記酸化亜鉛基板を介して前記ベース基板側に放熱されることを特徴とする。

この発明によれば、前記半導体発光素子の前記酸化亜鉛基板を前記ベース基板の前記凹部に嵌合させるという比較的簡単な構成で、前記酸化亜鉛基板の前記ベース基板に対する接触面積を大きくし、放熱性に優れ、より光出力の向上を図れる発光装置とすることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記酸化亜鉛基板は、前記ベース基板の前記凹部と嵌合する面に前記ＬＥＤ薄膜部から放射される光を反射する反射膜を有することを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤ薄膜部から放射され前記酸化亜鉛基板の内部側へ向かった光を前記反射膜で反射させることで、光を有効利用し発光装置の光取り出し効率をさらに高めることができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記酸化亜鉛基板の形状は、直方体状、六角錐状、六角錐台状から選択される１つであり、前記酸化亜鉛基板の最も広い一面を前記一表面とすることを特徴とする。

この発明によれば、前記酸化亜鉛基板の形状を直方体状、六角錐状や六角錐台状にダイシングやエッチングにより量産性良く形成することができ、前記ベース基板の前記凹部に対する前記半導体発光素子の前記酸化亜鉛基板の嵌合による位置決めが容易で正確となることから量産性の高い発光装置とすることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記酸化亜鉛基板の前記一表面には、前記ＬＥＤ薄膜部が形成された形成部位と、前記酸化亜鉛基板の前記一表面が露出した露出部位とを有し、前記露出部位の面積は、前記形成部位の面積よりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、前記酸化亜鉛基板の前記露出部位の面積を、前記ＬＥＤ薄膜部が形成された前記形成部位の面積よりも大きくすることで、より光取り出し効率の高い発光装置とすることができる。

請求項１の発明は、酸化亜鉛基板の一表面にＬＥＤ薄膜部を備えた半導体発光素子を用いて、該半導体発光素子が前記酸化亜鉛基板における前記一表面側を光取り出し面側として前記半導体発光素子の前記酸化亜鉛基板をベース基板に設けられた凹部に嵌合され、前記ＬＥＤ薄膜部で発生した熱が前記酸化亜鉛基板を介して前記ベース基板側に放熱されることにより、放熱性に優れ、より光出力の向上を図れる発光装置にできるという効果がある。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は要部概略断面図である。同上の他の要部概略断面図である。同上の別の要部概略断面図である。実施形態２の発光装置の要部概略断面図である。実施形態３の発光装置の概略斜視図を示す。同上の別の発光装置を示し、（ａ）は要部概略断面図、（ｂ）は要部概略側面図を示す。参考のための発光装置を示す概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置について、図１を用いて説明する。

本実施形態の発光装置２０は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、酸化亜鉛基板２ｂの一表面にｐ型窒化物半導体層２１およびｎ型窒化物半導体層２３を有するＬＥＤ薄膜部２ａを備えた半導体発光素子２と、該半導体発光素子２が実装されたベース基板１とを有し、半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂにおける前記一表面側を光取り出し面側として酸化亜鉛基板２ｂがベース基板１に設けられた凹部１ａに嵌合され、ＬＥＤ薄膜部２ａで発生した熱が酸化亜鉛基板２ｂを介してベース基板１側に放熱される。

以下、本実施形態の発光装置２０に用いられる各構成について、詳述する。

ベース基板１は、半導体発光素子２を実装させるものであって、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂにおいてＬＥＤ薄膜部２ａが備えられた一表面側を光取り出し面側として、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂを嵌合させることが可能な凹部１ａを有している。このような、ベース基板１における凹部１ａの形状は、凹部１ａ内に嵌合させる酸化亜鉛基板２ｂの外形形状に応じて種々形成することができる。

半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂは、例えば、酸化亜鉛材料を塩酸に浸すことで結晶異方性エッチングにより外形形状を六角錐形状にすることができる。また、酸化亜鉛材料は、モース硬度が窒化物半導体材料やサファイアなどと比較して小さいためダイシングなどで比較的容易に直方体状などに加工することもできる。この場合、直方体状、六角錐状や六角錐台状の最も広い一面をＬＥＤ薄膜部２ａを備える前記一表面とすればよい。

したがって、図１に示すように、酸化亜鉛基板２ｂの外形形状を六角錐台状とし、ベース基板１の凹部１ａの形状を、ベース基板１の厚み方向に深くなるほど六角形の面積が小さくなる六角錐台形状の窪みとした場合は、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂをベース基板１の凹部１ａに嵌合させる場合の位置決め精度を高めつつ、酸化亜鉛基板２ｂの厚みを薄くさせると発光装置２０全体の厚みを薄くすることが可能となる。

また、図２に示す半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂの外形を直方体状とした場合は、酸化亜鉛基板２ｂを嵌合するベース基板１の凹部１ａの形状を直方体形状の窪みとすることができる。この図２に示した発光装置２０は、ベース基板１の凹部１ａに対する半導体発光素子２の位置決めが正確で容易なだけでなく、酸化亜鉛基板２ｂの厚みを薄くさせると発光装置２０全体の厚みを薄くすることができる。

同様に、図３に示すように酸化亜鉛基板２ｂの外形形状を六角錐状とし、ベース基板１の凹部１ａの形状を、ベース基板１の厚み方向に深くなるほど六角形の面積が小さくなる六角錐形状の窪みとした場合は、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂをベース基板１の凹部１ａに嵌合させる場合、位置決め精度をより高くすることができる。

なお、本実施形態の発光装置２０に用いられるベース基板１では、半導体発光素子２を挿入し嵌合可能な凹部１ａを有するベース部１１と、電気絶縁性を有しベース部１１を保持する支持部１２と、ベース部１１上に配置され半導体発光素子２に電流を供給可能な導体パターン６，６が表面に形成された配線板１３で構成してある。

ここで、ベース基板１のベース部１１は、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａからの熱が酸化亜鉛基板２ｂを介して効率よくベース基板１側に放熱できるように、酸化亜鉛基板２ｂよりも熱伝導率が高い材料で構成することが好ましい。このようなベース部１１の材料として、例えば、ＣｕやＡｌなどの金属材料を好適に挙げることができる。したがって、ベース部１１の凹部１ａの形状は、上述のように半導体発光素子２における酸化亜鉛基板２ｂの形状に合わせて、金属プレス加工などにより比較的簡単に形成することができる。ここで、ベース部１１における凹部１ａの平面視形状は、六角形状としてある。なお、凹部１ａの平面視形状は、六角形状に限らず半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂの平面視形状が例えば、正方形状、長方形状、ひし形状などであれば、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂに合わせて、例えば、正方形状、長方形状、ひし形状などとすることもできる。

ベース基板１の支持部１２は、凹部１ａを有するベース部１１を支持し、且つ半導体発光素子２で発生した熱をベース部１１および支持部１２を介して、発光装置２０が実装されるプリント基板などの配線基板に熱伝導させることができる。この場合、支持部１２は半導体発光素子２に短絡などが生じないように、電気絶縁性を有し、熱伝導性の高いことが好ましい。このようなベース基板１における支持部１２の材料としては、例えば、アルミナや窒化アルミニウムなどが挙げられる。また、支持部１２の形状は、例えば、支持するベース部１１の底面より大きい矩形の平板形状とすることができる。

ベース基板１の配線板１３は、ベース部１１の凹部１ａに半導体発光素子２を嵌合できるように開口部を有し、半導体発光素子２と外部とを電気的に接続できるように導体パターン６，６が好適に設けられたものである。このような配線板１３として、ガラスエポキシ樹脂からなる絶縁性基板の一表面に金属膜（例えば、Ａｕ膜の単膜や最上層がＡｕ膜となるＣｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜の積層膜など）からなる導体パターン６，６が形成されたものを用いることができる。なお、配線板１３は、ガラスエポキシ樹脂基板に限られず、導体パターン６，６が形成されたセラミック基板（例えば、アルミナセラミック基板、窒化アルミニウム基板など）、ポリイミド樹脂基板、紙フェノール基板を用いてもよい。

本実施形態では配線板１３の導体パターン６，６は、金属ワイヤ４，４がボンディング接続可能な接続ランド６ａ，６ａと、該接続ランド６ａ，６ａから延伸した導体配線６ｂ，６ｂと、該導体配線６ｂ，６ｂと接続され外部と電気的に接続可能な外部電極６ｃ，６ｃとを備えている。ここで、導体パターン６，６の接続ランド６ａ，６ａは、半導体発光素子２における酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面に設けられたｐ電極パッド２ｃと、半導体発光素子２におけるＬＥＤ薄膜部２ａのｎ型窒化物半導体層２３に設けられたｎ電極パッド２ｄと、をそれぞれ金属ワイヤ（例えば、金線）４，４を介して電気的に接続させてある。

なお、ベース基板１は、ベース部１１と支持部１２と配線板１３とにそれぞれ別体に形成するのではなく、表面に絶縁層（例えば、結晶化ガラスや金属酸化物など）が形成された金属からなる金属ベース基板を利用してもよい。この場合、導電パターン６，６は、結晶化ガラスや金属酸化物上に適宜形成すればよい。

次に、本実施形態の発光装置２０に用いられる半導体発光素子２について、詳述する。

半導体発光素子２は、ｎ型ＺｎＯ基板からなる酸化亜鉛基板２ｂの一表面に、窒化物半導体材料により形成され青色の光を放射可能なＬＥＤ薄膜部２ａが形成されたものである。半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａは、ｎ型窒化物半導体層２３と発光層２２とｐ型窒化物半導体層２１との積層構造を有している。

また、半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂにおける六角形状の前記一表面の略中央に正方形状のＬＥＤ薄膜部２ａが形成され、正方形状のＬＥＤ薄膜部２ａが酸化亜鉛基板２ｂに形成された形成部位２ｆの面積は、六角形状の酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面が露出した露出部位２ｅの面積よりも小さく形成されている（図１（ａ）を参照）。

本実施形態の半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面上において、ｐ電極パッド２ｃが、酸化亜鉛基板２ｂに対してオーミック接触となるように形成され、酸化亜鉛基板２ｂを介してＬＥＤ薄膜部２ａのｐ型窒化物半導体層２１と電気的に接続されている。また、ｎ電極パッド２ｄが、ＬＥＤ薄膜部２ａのｎ型窒化物半導体層２３に対してオーミック接触となるようにｎ型窒化物半導体層２３の表面に形成されてｎ型窒化物半導体層２３と電気的に接続されている。

なお、ＬＥＤ薄膜部２ａは、後述するようにＬＥＤ薄膜部２ａを酸化亜鉛基板２ｂの基礎となるｎ型ＺｎＯウェハと接合する前に、主表面が（０００１)面であるサファイアウェハの主表面側に低温バッファ層を介してｎ型窒化物半導体層２３、発光層２２、ｐ型窒化物半導体層２１の順に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができる。ここで、ＬＥＤ薄膜部２ａのエピタキシャル成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを用いて成膜してもよい。

ＬＥＤ薄膜部２ａのｎ型窒化物半導体層２３は、発光層２２に対してクラッド層として機能するとともにコンタクト層としても機能するｎ型ＧａＮ層により構成されているが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。また、発光層２２は、ＧａＮ層からなる障壁層によりＩｎＧａＮ層からなる井戸層が挟まれた量子井戸構造を有しており、発光層２２の発光ピークが４６０ｎｍとなるようにＩｎＧａＮの組成比を設定しているが、発光波長（発光ピーク波長）は、特に限定するものでもない。なお、発光層２２は、ホモ構造、ヘテロ構造やダブルヘテロ構造としてもよい。また、発光層２２は、単一量子井戸構造に限らず多重量子井戸構造でもよい。発光層２２の材料も窒化物半導体材料であればよく、例えば、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮのほか、ＳｉやＺｎなど各種不純物が含有されたＧａＮなどでもよい。ｐ型窒化物半導体層２１は、ｐ型ＧａＮ層で構成してあるが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。したがって、ｐ型窒化物半導体層２１は、例えば、発光層２２に対してクラッド層として機能するｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ型窒化物半導体層と、コンタクト層として機能するｐ型ＧａＮ層からなる第２のｐ型窒化物半導体層とに機能分離して構成しても良い。

ところで、窒化物半導体材料および酸化亜鉛材料は、ウルツ鉱型の結晶構造でｃ軸方向に極性を有する有極性半導体である。そのため、ＬＥＤ薄膜部２ａは、ｎ型窒化物半導体層２３における前記ｎ型ＧａＮ層の発光層２２側とは反対側の表面がＮ極性面である（０００−１）面により構成され、ｐ型窒化物半導体層２１における前記ｐ型ＧａＮ層の発光層２２側とは反対側の表面がＧａ極性面である（０００１）面により構成されている。また、酸化亜鉛基板２ｂは、ＬＥＤ薄膜部２ａ側の前記一表面がＺｎ極性面である（０００１）面により構成され、ＬＥＤ薄膜２ａ側とは反対側の他表面がＯ極性面である（０００−１）面により構成されている。

すなわち、ＬＥＤ薄膜部２ａと酸化亜鉛基板２ｂとは、酸化亜鉛基板２ｂのＺｎ極性面とｐ型窒化物半導体層２１のＧａ極性面とが接合されている。

酸化亜鉛基板２ｂは、不純物をドーピングすることなく酸素空孔もしくは亜鉛の格子間原子欠陥によりｎ型の導電性を示すノンドープＺｎＯ基板を用いてもよいが、不純物のドーピングによって導電型や導電率を制御したもの、例えば、ＧａドープＺｎＯ基板（ＧＺＯ基板）や、ＡｌドープＺｎＯ基板（ＡＺＯ基板）を用いる方が、ｐ電極パッド２ｃなどアノード電極とのオーミック接触の接触抵抗を低減するうえでより好ましい。

半導体発光素子２のｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄは、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあり、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄのいずれも最表面側がＡｕ膜で構成してある。ここで、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄは、例えば、Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ膜の膜厚を５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍとすることができるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。いずれにしろ、本実施形態の半導体発光素子２は、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄが同一の金属材料により形成され、同一の電極構造を有している。ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄは、それぞれを構成する積層膜において厚み方向で重なる膜同士の密着性を高めることができるとともに、それぞれ接続される酸化亜鉛基板２ｂおよびｎ型窒化物半導体層２３に対する密着性を高めることもできる。また、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄを量産性よく同時形成することもでき、ここでは、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）により同時に成膜しているが、これに限られるものではなく、スパッタ法などを用いて形成してもよい。

本実施形態の半導体発光素子２では、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄとして、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜を採用することにより、それぞれ酸化亜鉛基板２ｂ、ｎ型窒化物半導体層２３に対して良好なオーミック接触（低オーミック抵抗のオーミック接触）を得ることができるが、前記積層膜に限らず、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜やＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜の群から選択される１つの積層膜により形成してもよい。いずれの構成でも、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄの最表面側がＡｕ膜とすることで、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄの表面の酸化を防ぐことができる。また、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄと、ベース基板１の配線板１３に設けられた導体パターン６，６と、を金線からなる金属ワイヤ４，４によりボンディング接続させる場合は、金属ワイヤ４，４との接合信頼性を向上させることもできる。

ところで、本実施形態の半導体発光素子２は、ＬＥＤ薄膜部２ａにおける酸化亜鉛基板２ｂ側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造９が好適に形成されている。そのため、ＬＥＤ薄膜部２ａにおける酸化亜鉛基板２ｂ側とは反対側の表面と該表面に接する媒質（例えば、空気）との界面での全反射を抑制することができる。ここで、微細凹凸構造９は、ｎ型窒化物半導体層２３の表面においてｎ電極パッド２ｄの形成部位以外の部位に形成されている。なお、微細凹凸構造９は、断面三角波状の形状となっており、微細凹凸構造９の周期および高低差は数μｍ以下で適宜設定すればよい。

また、本実施形態においては、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａから放出された光は、主として微細凹凸構造９が形成されたｎ型窒化物半導体層２３から外部へ放出されるものと、ｐ型窒化物半導体層２１と接する酸化亜鉛基板２ｂ側へ放出ものに分けることができる。ここで、ｐ型窒化物半導体層２１から酸化亜鉛基板２ｂ側に放出された光は、窒化物半導体材料と酸化亜鉛材料との屈折率差が一般的な青色ＬＥＤ素子などに用いられている窒化物半導体材料とサファイアとの屈折率差よりも小さいため、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａから酸化亜鉛基板２ｂ側に効率よく光を取り出すことができる。

ｐ型窒化物半導体層２１から酸化亜鉛基板２ｂ側に放出された光は、酸化亜鉛基板２ｂ中でベース基板１の凹部１ａ内側に向かい、凹部１ａとの界面で反射され、再び酸化亜鉛基板２ｂ中を透過し酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面側から外部に放出されることになる。

また、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂの屈折率（約２．１）は、ＬＥＤ薄膜部２ａを構成する窒化物半導体材料の屈折率（約２．４）よりも小さい。そのため、酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面が露出し、ＬＥＤ薄膜部２ａからの光を遮るものが設けられていない露出部位２ｅは、ＬＥＤ薄膜部２ａにおける酸化亜鉛基板２ｂ側とは反対側の前記表面と比較して、露出部位２ｅやＬＥＤ薄膜部２ａの前記表面と接する前記媒質との全反射を抑制し光を取り出しやすい。したがって、凹部１ａとの界面で反射された光は、ＬＥＤ薄膜部２ａを透過させて外部に放出するよりも、酸化亜鉛基板２ｂの露出部位２ｅから光を外部に効率よく取り出すことができ、酸化亜鉛基板２ｂの露出部位２ｅの面積を、ＬＥＤ薄膜部２ａが酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面側に形成された形成部位２ｆの面積よりも大きくすることで、より光取り出し効率の高い発光装置２０とすることが可能となる。

なお、酸化亜鉛基板２ｂの露出部位２ｅが大きくなりすぎると、ＬＥＤ薄膜部２ａの領域が小さくなり発光面積が小さくなる。また、ＬＥＤ薄膜部２ａから酸化亜鉛基板２ｂを介して、ベース基板１側に熱を伝導させる熱抵抗が大きくなる。さらに、酸化亜鉛基板２ｂを介してＬＥＤ薄膜部２ａに電流を注入させる場合は、酸化亜鉛基板２ｂにおける電気抵抗が大きくなり光出力を向上させるのが難しくなる場合もある。したがって、酸化亜鉛基板２ｂの形状等にもよるが、酸化亜鉛基板２ｂの露出部位２ｅの面積は、例えば形成部位２ｆの面積の約２０倍よりも小さいことが好ましく、発光装置２０の光学特性や電気特性に合わせて種々調整することができる。

さらに、光取り出し効率を高めるため、酸化亜鉛基板２ｂにおける前記一表面側の露出部位２ｅは、全反射抑制用の凹凸構造とすることもできる（図示しない）。このような、露出部位２ｅの凹凸構造もＬＥＤ薄膜部２ａからの発光波長を考慮して所望の周期や高低差で適宜設計することができる。

また、本実施形態の半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂには、ベース基板１の凹部１ａと嵌合する面にＬＥＤ薄膜部２ａから放射される光を反射する反射膜３が好適に設けられている。反射膜３は、例えば、誘電体膜と反射用金属膜から構成することができる。前記誘電体膜は、酸化亜鉛基板２ｂが、前記一表面と対向する側（他表面側）を下面とする角錐台状（ここでは、六角錐台状）の形状に形成される場合、角錐台状の酸化亜鉛基板２ｂの前記他表面と各斜面とにＬＥＤ薄膜部２ａから放射される光に対して透光性を有している。前記反射用金属膜は、ＬＥＤ薄膜部２ａから放射される光に対して透光性のある前記誘電体膜を透過した光を反射する。これにより、ＬＥＤ薄膜部２ａからベース基板１側に放射される光がベース基板１に吸収されてしまうことを抑制することができる。

ここで、前記誘電体膜は、ＳｉＯ_２膜により形成し、前記反射用金属膜は、Ａｇ膜により形成することもできる。なお、前記誘電体膜の材料は、ＳｉＯ_２に限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などを採用してもよいが、酸化亜鉛基板２ｂよりも屈折率が低い材料であるＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２が好ましく、屈折率が最も低いＳｉＯ_２を採用することがより好ましい。また、前記反射用金属膜は、Ａｇ膜の単層膜に限らず、例えば、前記誘電体膜上のＡｇ膜とＡｇ膜上のＡｕ膜との多層膜でもよい。例えば、前記反射用金属膜がＡｇ膜の単層膜もしくはＡｇ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている場合は、ベース基板１の凹部１ａ内に、例えば、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田を用いて密着接合することができ、半導体発光素子２をベース基板１の凹部１ａにエポキシ樹脂などのダイボンド材を用いて固定する場合と比較して、半導体発光素子２からベース基板１までの熱抵抗を低減することもできる。

ここで、反射膜３の前記誘電体膜および前記反射用金属膜は、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法などにより形成すればよい。また、前記反射用金属膜は、例えば、電界めっき法により形成してもよく、この場合は、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａが形成されていない酸化亜鉛基板２ｂ側から半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂにおける前記一表面が濡れない深さまで、めっき液の入っためっき槽に浸すようにすれば、簡易かつ安価に酸化亜鉛基板２ｂに前記反射用金属膜が形成された半導体発光素子２を形成することができる。

以下、本実施形態の発光装置２０に用いられる半導体発光素子２の製造方法について説明する。

半導体発光素子２は、サファイアウェハのＣ面である主表面側にＧａＮからなる低温バッファ層を介してＬＥＤ薄膜部２ａとなるｎ型窒化物半導体２３と発光層２２とｐ型窒化物半導体層２１との積層構造膜をＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法により成膜する。他方、水熱合成法などにより形成させたｎ型ＺｎＯウェハを半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂの基礎として用いる。次に、ＬＥＤ薄膜部２ａを酸化亜鉛基板２ｂに形成させるため、前記サファイアウェハの前記主面側の前記積層構造膜と、前記ｎ型ＺｎＯウェハとの接合面を洗浄した後、窒素雰囲気中において６００℃に加熱し、２ＭＰａの圧力をかけて熱接合する。その後、前記サファイアウェハとｎ型ＺｎＯウェハが熱接合されたウェハから前記サファイアウェハを剥離して、前記ｎ型ＺｎＯウェハ上にＬＥＤ薄膜部２ａとなる前記積層構造膜が熱接合されたウェハを形成させることができる。

このような前サファイアウェハの剥離方法としては、前記サファイアウェハと前記積層構造膜との界面付近にレーザ光を照射しレーザ加工工程により前記低温バッファ層が形成されたサファイアウェハごと前記積層構造膜を剥離する方法、或いは前記積層構造膜を前記サファイアウェハ上に選択成長法により結晶成長を行い前記ｎ型ＺｎＯウェハとの熱接合後に前記積層構造膜と前記サファイアウェハとの界面近傍において選択成長時に形成したボイドを利用して前記サファイアウェハ側を剥離する方法などが挙げられる。

引き続き、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて前記積層構造膜を光取り出し面側において正方形状となるように前記ｎ型ＺｎＯウェハ上でパターニングを行い、ＬＥＤ薄膜部２ａを形成する。続いて、ｎ型窒化物半導体層２３の前記表面に微細凹凸構造９を形成する微細凹凸構造形成工程を行う。その後、ｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄを形成するパッド形成工程を行ってから、前記ｎ型ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２ａが形成された前記一表面とは反対側に所定形状（酸化亜鉛基板２ｂの前記他表面の形状に相当する形状）にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行う。その後、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングを行うことにより、エッチング面が光を反射可能な平滑面となる六角錐状の酸化亜鉛基板２ｂを形成する加工工程を行う。次に、研磨により六角錐台状の酸化亜鉛基板２ｂに加工した後、前記マスク層を除去する。

続いて、ＬＥＤ薄膜部２ａが形成された酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面側にマスクを形成させた後に、前記一表面側にＬＥＤ薄膜部２ａが形成された六角錐台状の酸化亜鉛基板２ｂの前記他表面と各斜面とにＬＥＤ薄膜部２ａから放射される光に対して透明な誘電体膜と、該誘電体膜にＬＥＤ薄膜部２ａから放射され前記誘電体膜を透過した光を反射する反射用金属膜からなる反射膜３を形成する。反射膜３を形成させた後に、前記一表面側に形成されたマスクを除去して半導体発光素子２を形成することができる。

次に、こうして形成された半導体発光素子２を用いて本実施形態の発光装置２０を製造する。

半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂのＬＥＤ薄膜部２ａが設けられた前記一表面側を光取り出し面側として、六角錐台形状の酸化亜鉛基板２ｂにおける前記他表面と各斜面とを、ベース基板１の厚み方向に深くなるほど六角形の面積が小さくなる六角錐台形状の窪みとなる凹部１ａに合わせて内部に挿入するように嵌め合わせて実装する。

ここで、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂと、ベース基板１の凹部１ａとは、高熱伝導且つ絶縁性接着剤としてフィラーが含有されたエポキシ樹脂、導電性接着剤としてＡｇペーストや半田などを用いて密着貼付け固定する。半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂに設けられたｐ電極パッド２ｃと、ベース基板１の配線板１３に設けられた導体パターン６の接続ランド６ａとを金属ワイヤ４によってワイヤボンディングする。他方、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａにおけるｎ型窒化物半導体層２３に設けられたｎ電極パッド２ｄと、ベース基板１の配線板１３に設けられた導体パターン６の接続ランド６ａとを金属ワイヤ４によってワイヤボンディングする。この導体パターン６，６の外部電極６ｃ，６ｃ間に外部から電流を供給すると青色の光が発光可能な発光装置２０とすることができる。

なお、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂに用いられる酸化亜鉛材料は、一般的に知られている窒化物半導体を用いた青色ＬＥＤ素子などの基板材料であるサファイアと比較して、約２倍も熱伝導性に優れている。そのため、本実施形態の発光装置２０は、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂをベース基板１の凹部１ａと嵌合させるという比較的簡単な構成で形成することができ、熱伝導性に優れた酸化亜鉛基板２ｂのベース基板１に対する接触面積を大きくすることで、発光装置２０の放熱性の向上を図ることができる。また、ＬＥＤ薄膜部２ａのジャンクション温度の温度上昇を抑制することができるから、入力電力を大きくすることができ、光出力の高出力化を図ることができる。

なお、本実施形態では、半導体発光素子２から放射される光が青色の光となるように発光層２２を設計してあるが、半導体発光素子２から放射される光は、青色の光に限らず、例えば、紫外線、緑色の光、黄色の光や赤色の光などであってもよい。

また、発光装置２０は、所望に応じてベース基板１に複数個の凹部１ａを設け、複数個の半導体発光素子２をそれぞれ嵌合させることができ、各半導体発光素子２をベース基板１上に設けた導体パターン６，６を用いて電気的に直列接続、並列接続や直並列接続させてもよい。

（実施形態２）
図４に示す本実施形態の発光装置２０の基本構成は実施形態１と略同一であり、酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面にｐ電極パッド２ｃを設けることなく、半導体発光素子２のｐ型窒化物半導体層２１と、ベース基板１の導体パターン６とを電気的に接続した点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の発光装置２０は、図４に示すように半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂにおけるＬＥＤ薄膜部２ａが備えられた前記一表面とは反対側に、Ａｇ膜からなる反射膜３を設け、この反射膜３とベース基板１の凹部１ａとを半田（図示しない）を介して嵌合させて溶融固着している。また、ベース基板１のＣｕ材料からなるベース部１１は、導電性接着層（例えば、半田やＡｇペースト）８を介して配線板１３と接続固定されている。導電性接着層８は、配線板１３に設けられた貫通配線７を介して導体パターン６と電気的に接続されている。

したがって、半導体発光素子２のｐ型窒化物半導体層２１は、半導体発光素子２の酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面にｐ電極パッド２ｃを設けることなく、酸化亜鉛基板２ｂ、反射膜３、半田、ベース部１１、導電性接着層８、貫通配線７を介して配線板１３の導体パターン６と電気的に接続されている。

なお、半導体発光素子２のｎ型窒化物半導体層２３は、ｎ型窒化物半導体層２３に設けられたｎ電極パッド２ｄと、配線板１３の導体パターン６とを金属ワイヤ４を介して電気的に接続されてる。

これにより、発光装置２０の導体パターン６，６に外部から電力を供給すると、本実施形態の発光装置２０は、半導体発光素子２のＬＥＤ薄膜部２ａからベース基板１の凹部１ａ側に向かって放出され反射膜３によって反射された光が、ｐ電極パッド２ｃやｐ電極パッド２ｃと接続された金属ワイヤ４で遮られることもなく酸化亜鉛基板２ｂの前記一表面側から放射されるので、光取り出し効率をより高めることができる。

（実施形態３）
図５に示す本実施形態の発光装置２０の基本構成は、実施形態１と略同一であり、実施形態１の発光装置２０における半導体発光素子２の光取り出し面側に波長変換部材１５を設けた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の発光装置２０は、図５に示すように実施形態１と同様の平面視形状が長方形状であるベース基板１の略中央に、開口部が六角形状となる凹部１ａが設けられており、半導体発光素子２は、酸化亜鉛基板２ｂにおけるＬＥＤ薄膜部２ａを備えた前記一表面側を光取り出し面側として、前記一表面側とは対向する面側をベース基板１の凹部１ａに嵌合され、ＬＥＤ薄膜部２ａで発生した熱が酸化亜鉛基板２ｂを介してベース基板１側に放熱可能にしてある。また、半導体発光素子２のｐ電極パッド２ｃおよびｎ電極パッド２ｄは、それぞれベース基板１の配線板１３に設けられた導体パターン６，６の接続ランド６ａ，６ａと金属ワイヤ４，４によってボンディング接続させてある。

本実施形態の発光装置２０においては、半導体発光素子２の光取り出し面側に波長変換部材１５が設けられており、より具体的には、発光装置２０のベース基板１における配線板１３上に、円板形状の波長変換部材１５がベース基板１の凹部１ａを覆うようにスクリーン印刷法を用いて形成されている。なお、波長変換部材１５は、シリコーン樹脂中に半導体発光素子２からの青色の光を吸収し、吸収した青色の光の波長よりも長波長の黄色の光に波長変換する粒子状の蛍光体が含有されたものである。

この発光装置２０において、導体パターン６，６の外部電極６ｃ，６ｃ間に電力を供給すると、導体パターン６，６から金属ワイヤ４，４を介して半導体発光素子２に電流が流れ、半導体発光素子２から青色の光が放射される。また、波長変換部材１５では、半導体発光素子２からの青色の光の一部を吸収し波長変換した前記蛍光体から黄色の光が放射される。したがって、発光装置２０の波長変換部材１５からは、前記蛍光体からの黄色の光と、半導体発光素子２から放出され、前記蛍光体に変換されず波長変換部材１５を透過した青色の光との混色光により、白色の光が出射されて見える。

なお、図５に示す円板形状の波長変換部材１５を用いる代わりに、図６に示すドーム形状の波長変換部材１５を用いてもよい。例えば、ベース基板１は、支持部１２を矩形の平板形状に形成し、この支持部１２上に円柱形状のベース部１１と該ベース部１１上の配線板１３が形成されたものを用いる。そして、図６（ａ）に示すように、ベース基板１の凹部１ａに嵌合された半導体発光素子２および配線板１３上に凸レンズ形状となる封止部１４を設ける。波長変換部材１５は、予め封止部１４を覆う形で封止部１４よりも大きなドーム形状に形成し、ベース基板１の円柱形状となるベース部１１と配線板１３の外周に沿わせ、且つ矩形の平板形状である支持部１２上に固定配置させて発光装置２０を構成することもできる。また、ドーム形状の波長変換部材１５は、図６（ｂ）に示すように、半導体発光素子２と外部とを電気的に接続させるため、電極引き出しのための切り欠き部１６を設けてある。なお、この発光装置２０において、封止部１４を省略し、波長変換部材１５と半導体発光素子２との間を空洞とすることもできる。

図６（ａ）において、ドーム形状の波長変換部材１５は、ベース基板１の熱伝導率が高いベース部１１と熱接触させて嵌合させてある。そのため、波長変換部材１５に分散された蛍光体のストークス・ロス等に起因して発生した熱を、ベース部１１から放熱させることもできる。これによって、波長変換部材１５の温度を低下させ、波長変換部材１５に含有された前記蛍光体の温度が上昇することにより当該蛍光体のルミネッセンスの効率が減少する温度消光を改善し、発光装置２０の光出力を向上させることも可能となる。

また、別の発光装置２０として、半導体発光素子２における酸化亜鉛基板２ｂのＬＥＤ薄膜部２ａを備えた前記一表面上だけに波長変換部材１５を塗布形成し、半導体発光素子２自体から白色の光を発光するものをベース基板１の凹部１ａに嵌合させて構成しても良い。

以下、本実施形態の発光装置２０に関連して、封止部１４および波長変換部材１５について詳述する。

封止部１４は、半導体発光素子２を保護し、半導体発光素子２からの光を効率よく外部に取り出すために好適に設けられ、例えば、シリコーン樹脂を採用した凸レンズ形状に形成することができる。封止部１４の材料としては、シリコーン樹脂に限られず、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やガラスなどの透光性材料を採用することもできる。封止部１４の形状も凸レンズ形状に限られず、所望に応じて平板形状や凹レンズ状など種々形成することができる。

波長変換部材１５は、透光部と、該透光部中に均一に分散された蛍光体とを有している。前記蛍光体は粒子状に形成され、半導体発光素子２からの光を吸収し、この光の波長よりも長波長に波長変換する。したがって、波長変換部材１５は、半導体発光素子２から放出される波長を変換可能に形成させてある。波長変換部材１５の形状は、半導体発光素子２を覆うように例えば、円板形状、ドーム形状やシート形状などに形成することができる。波長変換部材１５に用いられる前記透光部の材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラス、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを用いることができる。また、波長変換部材１５の前記蛍光体も、青色の光を吸収して黄色の光が発光可能な酸窒化物系蛍光体やセリウムで付活されたガーネット系蛍光体などのほか、色調整や演色性を高めるなど所望に応じ、例えば、黄色の光を発光する前記蛍光体の代わりに、赤色の光を発光する蛍光体と緑色の光を発光する蛍光体などを種々用いてもよい。

このように本実施形態の発光装置２０は、波長変換部材１５を用いて白色の光などの混色光も発光可能であり、放熱性に優れ、光出力の向上を図ることができる。

１ベース基板
１ａ凹部
２半導体発光素子
２ａＬＥＤ薄膜部
２ｂ酸化亜鉛基板
２ｅ露出部位
２ｆ形成部位
３反射膜
２０発光装置
２１ｐ型窒化物半導体層
２２発光層
２３ｎ型窒化物半導体層

Claims

酸化亜鉛基板の一表面にｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を有するＬＥＤ薄膜部を備えた半導体発光素子と、該半導体発光素子が実装されたベース基板とを有し、前記半導体発光素子は、前記酸化亜鉛基板における前記一表面側を光取り出し面側として前記半導体発光素子の前記酸化亜鉛基板が前記ベース基板に設けられた凹部に嵌合され、前記ＬＥＤ薄膜部で発生した熱が前記酸化亜鉛基板を介して前記ベース基板側に放熱されることを特徴とする発光装置。
前記酸化亜鉛基板は、前記ベース基板の前記凹部と嵌合する面に前記ＬＥＤ薄膜部から放射される光を反射する反射膜を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記酸化亜鉛基板の形状は、直方体状、六角錐状、六角錐台状から選択される１つであり、前記酸化亜鉛基板の最も広い一面を前記一表面とすることを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の発光装置。
前記酸化亜鉛基板の前記一表面には、前記ＬＥＤ薄膜部が形成された形成部位と、前記酸化亜鉛基板の前記一表面が露出した露出部位とを有し、前記露出部位の面積は、前記形成部位の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。