JP2011096928A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率の高い発光装置を得る。
【解決手段】 透光性基板の下側に半導体層を有し、該半導体層の下側に一対の電極を有する発光素子と、上面に、電極と電気的に接続される導体配線を有する基体と、発光素子を被覆し、基体の上面に設けられる透光性の封止部材と、を有する発光装置であって、発光素子は、透光性基板の上面は表面粗さＲａ１の粗面領域を有し、基体の上面は、表面粗さＲａ１よりも大きい表面粗さＲａ２を有する粗面領域を有することを特徴とする。これにより、光の取り出し効率の高い発光装置とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示装置、照明器具の光源として利用可能な発光装置に関する。

表示装置や照明装置の光源として、従来使用されていた蛍光灯や白熱電球などに代わる新しい光源として、半導体発光素子（以下、単に発光素子とも称する）を用いた発光装置（ＬＥＤ）の研究が進められている。この発光装置は、上記の光源と比べて寿命が長く、また、省エネルギーでの発光が可能であり、次世代の照明用光源としての期待が大きい。

このような発光装置は、実用化が開始された当時から種々改良されており、数年の間にその出力は大幅に向上しているものの、更なる高出力化が求められている。そのため、発光装置を構成する各部材の改良や、発光素子自体の発光効率を向上させることなどが検討されている。

発光素子自体の発光効率を向上させるためには、光取り出し、放熱性や伝熱性を含めた半導体層構造設計の最適化、結晶性の向上、半導体層に設けられる電極材料の最適化など、種々の方法が検討されている。

例えば、特許文献１に記載されている発光素子（ＬＥＤチップ）は、透光性の基板を用いており、その表面に凹凸を設けることで発光効率を向上させている。

特開２００２−３１９７０８号公報

しかしながら、上記のような構造では、光取り出し効率の向上は不十分であり、また、工程が複雑であるという問題がある。

以上の目的を達成するため、本発明の発光装置は、透光性基板の下側に半導体層を有し、半導体層の下側に一対の電極を有する発光素子と、上面に、電極と電気的に接続される導体配線を有する基体と、発光素子を被覆し、基体の上面に設けられる透光性の封止部材と、を有する発光装置であって、発光素子は、透光性基板の上面は表面粗さＲａ１の粗面領域を有し、基体の上面は、表面粗さＲａ１よりも大きい表面粗さＲａ２の粗面領域を有することを特徴とする。

本発明により、比較的容易な方法で、光取り出し効率の高い発光装置とすることができる。

図１は、本発明に係る発光装置の断面図である。 図２は、本発明に係る発光装置の製造方法を説明する工程図である。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。

また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

本実施の形態の発光装置１００の断面図を図１に示す。本実施の形態において、発光装置１００は、発光素子１０３と、発光素子１０３と電気的に接続される導電部材１０２を有する基体１０１と、発光素子１０３を被覆する封止部材１０４とを有している。発光素子１０３は、透光性基板１０３ａの下側にｎ型半導体層１０３ｂ、活性層（発光層）１０３ｃ、ｐ型半導体層１０３ｄからなる半導体層を有しており、ｎ型半導体層とｐ型半導体層にはそれぞれ電極１０３ｅが形成されており、この電極１０３ｅが、基体１０１の上面に設けられている導体配線１０２と電気的に接続されている。

そして、本発明において、発光素子１０３の透光性基板１０３ａの上面は表面粗さＲａ１の粗面である粗面領域X１を有し、基体１０１の上面は、表面粗さＲａ１よりも大きい表面粗さＲａ２である粗面領域Ｙを有することを特徴とする。透光性基板１０３ａの上面を粗面とすることにより、透光性基板と封止部材との界面において完全反射する光を低減することができる。そのため、発光素子内部からの光を効率よく外部に取り出すことができる。更に、基体１０１の上面を粗面とし、その表面粗さＲａ２を、透光性基板の表面粗さＲａ１よりも大きくすることで、基体上面の反射光を拡散し、均一な配光特性を有する発光装置とすることができる。

尚、本明細書において表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）は、三鷹光器株式会社製 非接触表面粗さ測定装置 ＮＨ１２０Ｓを用い、軸上照射、測定領域がΦ０．４ｍｍ、垂直受光で得られる数値である。

このような構造の発光装置は、図２に示すような方法で得ることができる。

第１の工程
本発明において、第１の工程では、透光性基板の下側に半導体層を有し、その半導体層の下側に一対の電極を有する発光素子を、上面に導体配線を有する基体の上に電気的に接続するように載置する。ここでは、板状の基体を用いているが、凹部を有する基体の場合は、凹部の底面に露出されている導体配線上に発光素子を載置する。

第２の工程
次に、図２（ａ）に示すように、基体１０１及びその上に載置される発光素子１０３の上方から、粗面化加工を施す。ここでは、研磨剤Ｐを含む圧縮空気を上方から噴射するドライブラストでの例を示す。

ブラスト処理は、ウエットブラスト・ドライブラストのどちらでも選択することができ、好ましくはドライブラストである。ドライブラスト処理の条件としては、常温下で、圧縮空気の圧力を０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａ程度とするのが好ましい。更に、研磨剤としては、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂、スチール等々を選択することができる。これらは粒径０．１μｍ〜１．０μｍ程度のものが好ましく、特に０．３μｍ〜０．５μｍ程度のものが好ましい。

ウエットブラスト処理の条件としては、水に研磨剤を混合させたスラリーを、常温下で、圧縮空気と共に噴射させる。研磨剤としては、ドライブラストと同様に、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂、スチール等々を選択することができる。これらは粒径０．１μｍ〜１．０μｍ程度のものが好ましく、特に０．３μｍ〜０．５μｍ程度のものが好ましい。

粗面化処理後は、アルコール系溶剤等での超音波洗浄などの洗浄工程を施してもよい。

第３の工程
次に、図２（ｂ）に示すように、発光素子１０３を被覆するよう前記基体１０１の上面に透光性の封止部材１０４を形成する。封止部材１０４を設ける方法としては、印刷法、ポッティング法、圧縮成型法等をあげることができる。

封止部材を加熱によって硬化させた後、図２（ｃ）に示す破線部分で切断して個片化することで本発明の発光装置を得ることができる。切断方法としては、ダイシング、スクライブ、レーザースクライブ等を選択することができる。また、図２はセラミックなどのような基体の集合体を切断することで個片化しているが、金属板を導体配線とし射出成形等で形成された樹脂製の基体の場合は、金属板を切断することで個片化させることができる。

以下、各部材について詳説する。
（基体）
基体は発光素子や保護素子などの電子部品を保護するとともに、これら電子部品に外部からの電流を供給するための導体配線（電極）を備えているものである。図１に示すような板状の基体のほか、発光素子が載置可能な凹部を有する形状等も用いることができ、上面視において四角形、長方形、円形、多角形、及びそれらを組み合わせたような形状のものを用いることができる。

本発明では、基体の上面の表面粗さＲａ２は、後述の発光素子の透光性基板の上面の表面粗さＲａ１よりも大きいことが好ましい。これにより、基板上面の反射光を拡散させることが出来るという効果が得られる。特に、２μｍ〜１０μｍの範囲とすることで、理想的な配光特性であるランバート分布により近い配光が得られるという効果が得られる。さらに、基体の上面に粗面領域Ｙを有することで、封止部材との密着性を向上させることができる。尚、粗面化加工を施すのは、発光素子を基体の上面に載置した後の工程であるため、粗面領域は発光素子の直下を除く領域であり、表面粗さＲａ２は、この領域の数値を指すものである。

基体の材料としては、絶縁性部材が好ましく、また、発光素子からの光や、外光などが透過しにくい部材が好ましい。また、ある程度の強度を有するものが好ましく、より具体的には、セラミック、フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などがあげられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂組成物、シリコーン樹脂組成物、シリコーン変性エポキシ樹脂などの変性エポキシ樹脂組成物、エポキシ変性シリコーン樹脂などの変性シリコーン樹脂組成物、ポリイミド樹脂組成物、変性ポリイミド樹脂組成物などがあげられ、また熱可塑性樹脂としては、ＢＴレジンや、ＰＰＡなどが挙げられる。

特にセラミックが好ましく、これにより耐粗化性、耐熱性の高い基体とすることができる。セラミックとしては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＡｌＮ、ムライト、炭化ケイ素あるいはＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などが好ましい。セラミックからなる基体は、未焼成のセラミックグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンなどの金属を含む導電ペーストを、所定の導体配線のパターンに塗布して設けることができる。そして、それら積層されたセラミックグリーンシートを焼成することで得ることができる。基体の上面に露出されている導体配線は、発光素子からの光に対する反射率が高い金属で被覆しておくのが好ましく、例えば銀、金、ニッケル等で被覆層を形成するのが好ましい。

被覆層の形成方法としては、スパッタ、真空蒸着、ＰＶＤ、イオンプレーティング、ＣＶＤなどの成膜方法や、電解鍍金、無電解鍍金、カップリング剤処理、電着塗装、金属含有の樹脂ペーストを付着させるなどの方法により形成させることができる。特に、電解鍍金により設けることで、導体配線上に容易に形成させることができ好ましい。

また、導体配線の被覆層は、基体等の粗面化処理の際に一緒に粗面化される。これによって、発光素子からの光が拡散反射して、配光特性が滑らかとなる。また、封止部材との密着性が向上する。ただし、この場合、粗面化処理によって導体配線に設けられる被覆層が削られて反射率の低い導体配線が露出してしまうことを避けるため、被覆層の厚みを、あらかじめ厚く形成するように調整しておき、例えば被覆後に０．２μｍ〜０．５μｍとなるよう、あらかじめ３μｍ〜１５μｍ程度の厚さで形成しておくなどの方法をとることができる。尚、ここでの表面粗さＲａは、２μｍ〜１０μｍの範囲が好ましい。また、導体配線が粗面化されないよう、発光素子の直下以外の導体配線は、基体に埋設させるようにしてもよい。或いは、基体の上面で露出されている部分をレジスト等で覆った後に粗面化処理を施してもよい。

（接合部材）
接合部材は、導体配線上に発光素子を載置して接続させるための接着材であり、発光素子の電極と、基体の導体配線とを直接電気的に接続させるため、導電性のものを用いる。具体的には、銀、金、パラジウムなどの導電性ペーストや、Ａｕ−Ｓｎ共晶などのはんだ、低融点金属等のろう材を用いることができる。接合部材は、発光素子の電極と、基体の導体配線とを電気的に接続可能な量を用いればよく、その接着面の面積と略同一面積となるように設けるのが好ましい。接合部材の量が多くなると、粗面化処理工程で導体配線等と同様に粗面化される場合があるため、発光素子の直下から外側に広がらないようにするのが好ましい。

（封止部材）
封止部材は、発光素子、受光素子、保護素子などの電子部品を、塵芥や水分、更には外力などから保護する部材である。

封止部材の材料としては、発光素子からの光を透過可能な透光性を有し、且つ、それらによって劣化しにくい耐光性を有するものが好ましい。具体的な材料としては、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等発光素子からの光を透過可能な透光性を有する絶縁樹脂組成物を挙げることができる。更に、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂及びこれらの樹脂を少なくとも１種以上含むハイブリッド樹脂等も用いることができる。さらにまた、これらの有機物に限られず、ガラス、シリカゾル等の無機物も用いることができる。このような材料に加え、波長変換部材（蛍光部材）の他に、所望に応じて着色剤、光拡散剤、光反射材、各種フィラー、などを含有させることもできる。封止部材の充填量は、上記電子部品が被覆される量であればよい。封止部材の外表面の形状については配光特性などに応じて種々選択することができる。

（波長変換部材）
上記封止部材中に、波長変換部材として半導体発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光部材を含有させることもできる。

蛍光部材としては、半導体発光素子からの光を、それより長波長に変換させるものの方が効率がよい。しかしながら、これに限らず、半導体発光素子からの光を、短波長に変換させるもの、或いは、他の蛍光部材によって変換された光を更に変換させるものなど、種々の蛍光部材を用いることができる。このような蛍光部材は、１種の蛍光物質等を単層で形成してもよいし、２種以上の蛍光物質等が混合された単層を形成してもよいし、１種の蛍光物質等を含有する単層を２層以上積層させてもよいし、２種以上の蛍光物質等がそれぞれ混合された単層を２層以上積層させてもよい。

発光素子として窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子を用いる場合、その発光素子からの光を吸収し異なる波長の光に波長変換する蛍光部材を用いることができる。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体や酸窒化物系蛍光体を用いることができる。より具体的には、（ａ）Ｅｕ賦活されたα若しくはβサイアロン型蛍光体、各種アルカリ土類金属窒化シリケート、各種アルカリ土類金属窒化アルミニウムケイ素、（ｂ）Ｅｕ等のランタノイド系の元素、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属のハロシリケート、アルカリ土類金属シリケート、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、または、（ｃ）Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類金属希土類ケイ酸塩（ｄ）Ｅｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等、から選ばれる少なくともいずれか１以上であることが好ましい。好ましくは、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体であるＹＡＧ系蛍光体である。さらに、上記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、作用、効果を有する蛍光体も使用することができる。

特に、青色系発光が可能な発光素子と、その光を吸収して黄色系発光に波長変換する蛍光部材を用いてそれらを混色させて白色光とする発光装置は、各種照明装置等に広く用いられるものであり、このような発光装置が、光取り出し効率が高く、長寿命で使用できることで、照明装置の交換回数を少なくし、省エネルギー化を促進することができる。

（発光素子）
発光素子（半導体発光素子）は、透光性基板と、その一方の面側に半導体層と、その半導体層に設けられる一対の電極とを有するものであり、基体の上面にこの電極側が下になるように載置し、透光性基板側が上になるように設けられる。透光性基板の上面は、表面粗さＲａ１の粗面であり、Ｒａ１は１〜５μｍの範囲とするのが好ましい。これにより透光性基板の上面での光反射を抑制して、光取り出し効率を向上させることができる。粗面化された領域は、透光性基板の上面の全領域にわたって設けるのが好ましい。さらに周縁の角部にも粗面が形成されることで、角部に光が集中するのを緩和して光の強度を均一にして、滑らかな配光特性が得られ易くなる。

また、透光性基板の側面の表面粗さＲａ３は、上面の表面粗さＲａ１よりも小さくするのが好ましく、０．５〜３μｍの範囲とすることが好ましい。Ｒａ１よりも小さくすることで軸状方向の光強度が向上する。透光性基板の側面に加え、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層の側面も粗面が形成されており、これによって光取出しが向上するという効果が得られる。

発光素子は、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、サファイア基板やＧａＮ基板などの透光性基板を有する窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いたものを用いることができる。特にサファイア基板が好ましい。また、赤色の発光素子としては、ＧａＰからなる透光性基板を有するＡｌＩｎＧａＰなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる半導体発光素子を用いることもできる。用いる発光素子の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。

また、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。さらには、発光素子とともに、受光素子、及びそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子（例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー）、あるいはそれらを組み合わせたものを搭載することができる。これらは、発光素子と同様に表面が粗面化されるため、封止部材との密着性を向上させることができる。これらの表面粗さＲａは、発光素子と同程度が好ましい。また、発光素子は導電性ワイヤを用いないが、これら他の電子部品は導電性ワイヤを用いてもよく、その場合、導電性ワイヤの表面も粗面化されることで、封止部材との密着性を向上させることができる。

本発明に係る発光装置は、光取り出し効率に優れており、基体に発光素子を載置後に粗面化加工を行うことで、容易な工程で発光装置を得ることができる。このような発光装置は、各種表示装置、照明器具などにも利用することができる。

１００・・・発光装置
１０１・・・基体
Ｙ・・・基体の表面粗さＲａ２の粗面領域
１０２・・・導体配線
１０３・・・発光素子
１０３ａ・・・透光性基板
１０３ｂ・・・ｎ型半導体層
１０３ｃ・・・活性層（発光層）
１０３ｄ・・・ｐ型半導体層
１０３ｅ・・・電極
Ｘ１・・・発光素子の表面粗さＲａ１の粗面領域
Ｘ２・・・発光素子の表面粗さＲａ３の粗面領域
１０４・・・封止部材
Ｐ・・・研磨材

Claims (8)

1. 透光性基板の下側に半導体層を有し、該半導体層の下側に一対の電極を有する発光素子と、
   上面に、前記電極と電気的に接続される導体配線を有する基体と、
   前記発光素子を被覆し、前記基体の上面に設けられる透光性の封止部材と、
   を有する発光装置であって、
   前記発光素子は、前記透光性基板の上面は表面粗さＲａ１の粗面領域を有し、
   前記基体の上面は、前記表面粗さＲａ１よりも大きい表面粗さＲａ２の粗面領域を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記透光性基板の側面は、前記表面粗さＲａ１よりも小さい表面粗さＲａ３の粗面領域を有する請求項１記載の発光装置。
3. 前記表面粗さＲａ１は、１μｍ〜５μｍである請求項１又は請求項２記載の発光装置。
4. 前記表面粗さＲａ２は、２μｍ〜１０μｍである請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記表面粗さＲａ３は、０．５μｍ〜３μｍである請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記透光性基板は、サファイアであり、前記半導体層は窒化物半導体である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 透光性基板の下側に半導体層を有し、該半導体層の下側に一対の電極を有する発光素子を、上面に導体配線を有する基体の上に電気的に接続するように載置する第１の工程と、
   前記基板及び発光素子の上方から、粗面化加工を施す第２の工程と、
   前記発光素子を被覆するよう前記基体の上面に透光性の封止部材を形成する第３の工程と、
   を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
8. 前記粗面化加工は、ブラストによる加工である請求項７記載の発光装置の製造方法。

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