JP2014053609A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子及びその製造方法を提供できるようにする。
【解決手段】発光素子は、複数の半導体層を備え、所定の波長の光を放出する複数の発光セルが一方の面に形成された基板と、前記基板の他方の面に所定の深さで形成された複数の切欠部と、前記基板の他方の面及び複数の切欠部の上に形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、光取出効率を向上させて輝度を向上させることのできる発光素子及びその製造方法に関する。
一般に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物は、熱的安定性に優れており、しかも、直接遷移型のエネルギーバンドを有していることから、最近、光電素子用物質として脚光を浴びている。特に、エネルギーバンドギャップは、常温下で、ＧａＮが３．４ｅＶであり、且つ、ＩｎＧａＮがＩｎ、Ｇａの組成に応じて１．９ｅＶ〜２．８ｅＶと大きいことから、高温高出力素子に使用可能である。
ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体を用いた発光素子は、一般に、基板の上部にＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層が積層形成され、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層にそれぞれ接続されたＮ型電極及びＰ型電極から構成される。発光素子は、Ｎ型電極及びＰ型電極に所定の電流が印加されれば、Ｎ型半導体層から提供される電子とＰ型半導体層から提供される正孔が活性層において再結合されてエネルギーギャップに相当する波長の光が放出される。この種の発光素子が、例えば、下記の特許文献１に開示されている。
ところが、通常の白色発光素子の場合に、サファイアなどの基板の上に活性層をはじめとする半導体層が形成され、半導体層の上に蛍光層が形成される。この場合、半導体層から発生する熱によって蛍光層は変成または破損されて輝度の低下を招いてしまうという問題が生じる。
また、活性層から放出される光は、出射面以外の様々な方向に放出される。すなわち、活性層から放出される光は、例えば、Ｐ型電極側の出射面に放出されるだけではなく、それとは逆方向である基板方向にも放出される。このため、活性層から放出される光は、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層を数回通過した後に出射面方向に放出され、出射面方向の上側に形成された蛍光体を介して波長が変換された後に放出される。
ところが、光は、自分よりも低いバンドギャップを有する物質に吸収されるため、例えば、２．８ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＮを用いた半導体層を通過する光がこれよりも高いバンドギャップを有する場合に半導体層に吸収される。すなわち、活性層から放出される約２．９ｅＶのバンドギャップを有する青色光がＮ型半導体層及びＰ型半導体層などを数回通過するため、これらよりもバンドギャップが高い光はこれらに吸収され、これにより、光取出効率が低下し、しかも、輝度が低下するという問題が生じる。
大韓民国公開特許第２００８−００５０９０４号公報
本発明の目的は、光取出効率を向上させることができ、これにより、輝度を向上させることのできる発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、半導体層から離れた個所に波長変換層を形成することにより、光取出効率を向上させることのできる発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、所望の出射面以外の方向に放出される光の波長を変換して半導体層よりも低いバンドギャップを持たせることにより、光取出効率を向上させることのできる発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、所望の出射面以外の面に波長変換層を設けて所望の出射面以外の方向に放出される光の波長を変換することのできる発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明の一態様による発光素子は、複数の半導体層を備え、所定の波長の光を放出する複数の発光セルが一方の面に形成された基板と、前記基板の他方の面に所定の深さで形成された複数の切欠部と、前記基板の他方の面及び複数の切欠部の上に形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層と、を備える。
本発明の他の態様による発光素子は、基板の一方の面の上に形成され、複数の半導体層を備えて所定の波長の光を放出する発光セルと、前記基板の他方の面及び側面の一部の高さまで形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層と、を備える。
本発明のさらに他の態様による発光素子は、基板の一方の面の上に形成され、複数の半導体層を備えて所定の波長の光を放出する発光セルと、前記基板の他方の面の上に形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層と、前記波長変換層の上に形成されて前記波長変換層によって波長が変換された光を反射する反射層と、を備える。
本発明の諸態様による発光素子において、前記基板が透光性基板であってもよい。
本発明の一態様による発光素子において、前記切欠部が少なくとも一つの発光セルを分離するためのスクライブラインと重なって形成されていてもよい。
本発明の諸態様による発光素子において、前記波長変換層が蛍光体層及び量子点層のうちの少なくともいずれか一方を備えていてもよい。
本発明のさらに他の態様による発光素子において、前記波長変換層は、前記発光セルから放出される光を低いバンドギャップを有する光に変換するものであってもよい。
本発明のさらに他の態様による発光素子は、前記反射層の上に形成された支持層をさらに備えていてもよく、前記支持層は、金属から形成されてもよく、前記支持層は、ヒートシンクを備えていてもよい。
本発明のさらに他の態様による発光素子は、前記発光セルの上に形成された第２波長変換層をさらに備えていてもよく、前記第２波長変換層は、前記発光セルから離れた個所に均一な厚さに形成されていてもよい。
また、本発明の一態様による発光素子の製造方法は、前記基板の他方の面に所定の深さで複数の切欠部を形成するステップと、前記複数の切欠部を有する前記基板の他方の面及び複数の切欠部の上に波長変換層を形成するステップと、を含む。
前記発光素子の製造方法は、前記波長変換層の上に反射層を形成するステップをさらに含んでいてもよく、前記反射層の上に支持層を形成するステップをさらに含んでいてもよい。
本発明の態様は、発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層が発光セルの半導体層から離れて基板の背面及び側面に形成される。なお、波長変換層をウェーハレベルで形成することができるが、複数の発光セルが形成された基板の背面に切欠部を形成した後、切欠部を有する基板の背面に波長変換層を形成すればよい。
このため、波長変換層が発光セルから離れて形成されることにより、蛍光体が発光セルの半導体層と接触して形成される場合に、半導体層から発生する熱による蛍光体の変成または破損を防ぐことができ、これにより、発光素子の輝度低下を防ぐことができる。なお、波長変換層がウェーハレベルで形成されるので、工程効率を向上させることができる。
さらに、本発明の他の態様は、発光セルの所望の出射面方向以外の領域に波長変換層を形成して、発光セルから発光して出射面以外の方向に放出される光の波長を変換した後、出射面方向に放出されるようにする。すなわち、波長変換層は、発光セルから発光する光よりも高い波長を有するように変換し、これにより、バンドギャップが低くなるようにする。
このように、所望の出射面以外の方向に放出される光のバンドギャップが発光セルの半導体層のバンドギャップよりも低いように変換して所望の出射面方向に反射することにより、光が発光セルの半導体層に吸収されずに出射面に放出される。従って、光取出効率を向上させることができ、これにより、輝度を向上させることができる。
さらに、波長変換層が発光セルの側面に半導体層の高さに等しいかそれよりも低く形成されることにより、波長変換領域を増大させることができ、これにより、光取出効率をさらに向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。 本発明の他の実施形態に係る発光素子の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の光路を説明するための概略図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の実施形態に係る発光素子を適用したパッケージの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る発光素子を適用したパッケージの断面図である。
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態を詳述する。しかしながら、本発明は、後述する実施形態に何ら限定されるものではなく、異なる種々の形態で実現される。単に、これらの実施形態は、本発明の開示を完全たるものにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範囲によってのみ定義されるものである。図中、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示し、同じ符号は同じ構成要素を示す。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る発光素子は、基板１１０と、基板１１０の一方の面の上に形成された複数の半導体層をそれぞれ備え、所定の波長の光を放出し、互いに離れている複数の発光セル１００と、発光セル１００が形成されていない基板１１０の背面の所定の領域に所定の深さで形成された切欠部１７０と、基板１００の背面と切欠部１７０を介して基板１１０の側面に形成されて発光セル１００から放出された光の波長を変換する波長変換層２００と、を備える。また、複数の発光セル１００のそれぞれは、基板１１０の上に順次に形成された第１半導体層１２０と、活性層１３０及び第２半導体層１４０と、活性層１３０及び第２半導体層１４０が一部エッチングされて露出された第１半導体層１２０及び第２半導体層１４０の上にそれぞれ形成された第１及び第２電極１５０、１６０と、を備える。ここで、複数の発光セル１００は、直列、並列または直並列に接続されてもよい。すなわち、一方の発光セル１００の第１電極１５０から他方の発光セルの第１または第２電極１５０、１６０が、例えば、配線（図示せず）により接続されて直列、並列または直並列に接続されてもよい。
基板１１０とは、発光素子を製作するための通常のウェーハのことをいい、好ましくは、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した材質が使用可能である。例えば、基板１１０の材質としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ及びＧａＮのうちのいずれか一種が挙げられる。また、光の出射方向に応じて透明基板を用いてもよく、不透明基板を用いてもよい。すなわち、基板１１０側に光が出射されて基板１１０を通過して光が放出される場合には透明基板を用い、基板１１０とは反対側に光が出射される場合には不透明基板を用いる。
第１半導体層１２０は、Ｎ型不純物がドープされたＮ型半導体であってもよく、これにより、活性層１３０に電子を供給することができる。例えば、第１半導体層１２０としては、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層が使用可能である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な半導体物質が採用可能である。すなわち、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ（III−Ｖ族）などの窒化物や、これらの窒化物を所定の割合にて混合した化合物が使用可能である。一方、発光セル２００には、基板１１０の上に第１半導体層１２０を形成する前に、基板１１０との格子不整合を緩和するためにＡｌＮまたはＧａＮを含むバッファ層（図示せず）を形成してもよい。なお、バッファ層の上にアンドープト層（図示せず）を形成してもよいが、アンドープト層は、不純物がドープされていない層、例えば、アンドープトＧａＮ層から形成してもよい。
活性層１３０は、所定のバンドギャップを有し、量子井戸が作られて電子及び正孔が再結合される領域である。活性層１３０は、量子井戸層とバリア層が複数反復的に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）に形成してもよい。例えば、多重量子井戸構造の活性層１３０は、ＩｎＧａＮとＧａＮが反復的に積層されて形成されてもよく、ＡｌＧａＮとＧａＮが反復的に積層されて形成されてもよい。ここで、活性層１３０を構成する物質の種類に応じて、電子及び正孔が結合して発生する発光波長が変化されるため、目標とする波長に応じて活性層１３０に含まれる半導体材料を調節することが好ましい。すなわち、活性層１３０において生成される光の波長は、量子井戸層においてＩｎの量を調節することにより、種々に調節可能である。例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層のうちＩｎの含量を増大させることにより、バンドギャップが小さくなって発光波長が長くなるという現象を用いて、紫外線領域から青色、緑色、赤色など全ての可視光領域までの光を放出することができる。また、発光波長は、量子井戸層の厚さを調節することにより変化させることができるが、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さを増大させると、バンドギャップが小さくなって赤色側の光を放出することができる。だけではなく、量子井戸層の多層構造を用いて白色光を得ることもできる。すなわち、多層ＩｎＧａＮ量子井戸層の少なくとも一つの層ごとにＩｎの含量を異ならせて、青色発光、緑色発光及び赤色発光を構成すると、全体として白色光を得ることができる。しかしながら、本実施形態においては、活性層１３０が青色光を放出する場合を例示している。一方、活性層１３０は、第１電極１５０が形成される領域が除去されて形成される。
第２半導体層１４０は、Ｐ型不純物がドープされた半導体層であってもよく、これにより、活性層１３０に正孔を供給することができる。例えば、第２半導体層１４０としては、ＭｇがドープされたＩｎＧａＮ層が使用可能である。しかしながら、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、種々の半導体物質が採用可能である。すなわち、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ（III−Ｖ族）などの窒化物や、これらの窒化物を所定の割合にて混合した化合物が使用可能である。なお、第２半導体層１４０は、単一層に形成してもよく、多層に形成してもよい。一方、第２半導体層１４０は、第１電極１５０が形成される領域が除去されて形成される。
第１及び第２電極１５０、１６０は、導電性物質を用いて形成してもよいが、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇなどの金属物質またはこれらの合金を用いて単一層または多層に形成してもよい。ここで、第２電極１６０は、電流の拡散のための電極パターンに応じて複数形成されてもよい。一方、第２半導体層１４０の上部に第２電極１６０を介して印加される電源を第２半導体層１４０に均一に供給し、且つ、第２電極１６０側に放出される光を反射するために、反射電極（図示せず）が形成されてもよい。すなわち、第２半導体層１４０は、例えば、数Ω〜数十Ωの抵抗を有し、水平に、例えば、数ｋΩ〜数ＭΩの抵抗を有するため、水平方向には電流が流れず、垂直方向にのみ電流が流れることになる。このため、第２半導体層１４０に局部的に電源を印加すると、第２半導体層１４０に全体的に電流が流れないため、第２半導体層１４０に全体的に電流が流れるように第２半導体層１４０の上に導電層を形成してもよい。このとき、導電層は、活性層１３０から発光して第２電極１６０側に放出される光を反射するために、高反射率の物質から形成してもよい。すなわち、第２半導体層１４０の上に高い導電率及び反射率を有する反射電極を形成してもよい。反射電極は、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ及びその合金から形成してもよく、９０％以上の反射率を有することが好ましい。
波長変換層２００は、発光セル１００から発光して基板１１０方向に放出される光の波長を変換するために設けられる。すなわち、本発明に係る発光素子は、波長変換層２００が発光セル１００の半導体層から離れて形成される。従来には、発光セル１００の半導体層と接触して蛍光体が形成される場合に、半導体層から発生する熱によって蛍光体が変成または破損されて輝度の低下を招いていたが、本発明は、波長変換層２００が発光セル１００の半導体層から離れて形成されるので、波長変換層２００の変成または破損を防ぐことができ、これにより、輝度の低下が防がれる。また、波長変換層２００は、基板１１０の側面にも形成されることにより、波長変換領域が広くなる。そして、波長変換層２００が基板１１０の側面の一部の高さまで形成され、第１半導体層１２０の側面には形成されないので、波長変換層２００の熱的変成または破損を防ぐことができる。このような波長変換層２００は、例えば、発光セル１００から発光する４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光をそれよりも高い波長、すなわち、４９０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光、５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光、５９０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長を有する赤色光またはその混色光に変換する。このとき、複数の波長の光を混合して白色光を放出することができる。このような波長変換層２００は、基板１１０の背面及び側面に形成されうるが、このために、ウェーハレベルで波長変換層２００を形成してもよい。例えば、図１及び図２に示すように、互いに離れている複数の発光セル１００が形成された基板１１０の背面に切欠部１７０を形成した後、切欠部１７０を有する基板１１０の背面に波長変換層２００を形成してもよい。ここで、切欠部１７０は、複数の発光セル１００を分割するために基板１１０を割断するスクライブラインであってもよい。また、波長変換層２００は、入射する光の波長を変換する種々の物質から形成してもよいが、例えば、蛍光体層、量子点層などを用いて形成してもよい。すなわち、波長変換層２００に蛍光体が含有されたペーストを塗布して蛍光体層を形成してもよく、量子点が含有されたペーストを塗布して量子点層を形成してもよい。蛍光体ペーストを用いて蛍光体層を形成する場合に、蛍光体層を均一に形成し、且つ、工程中における蛍光体粉末の不均一な分布を防ぐために、蛍光体ペーストは、例えば、蛍光体粉末と透明な硬化性ポリマー樹脂を混合して５００〜１００００ｃｐｓの粘度を持たせてもよい。ここで、硬化性ポリマー樹脂は、シリコン系ポリマー樹脂であってもよく、エポキシ系ポリマー樹脂であってもよい。また、硬化性ポリマー樹脂に対する蛍光体粉末の重量比が０．５〜１０の範囲である蛍光体ペーストを製造して用いてもよい。蛍光体層を用いた波長変換層２００は、発光セル１００から、例えば、青色光が放出される場合に、これよりも長波長の緑色光、黄色光、赤色光及びこれらの混色光の少なくともいずれかに変換することができる。青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体として、ＹＢＯ３：Ｃｅ、Ｔｂ；ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ；（ＳｒＣａＢａ）（Ａｌ，Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕなどの物質が使用可能である。また、青色光を黄色光に変換する黄色蛍光体としては、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのうちの一種以上の元素とＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうちの一種以上の元素を含み、Ｃｅで活性化されたガーネット系蛍光体を含む物質が使用可能である。さらに、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体としては、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｂｉ；ＹＶＯ４：Ｅｕ、Ｂｉ；Ｓｒｓ：Ｅｕ、ＳｒＹ２Ｓ４：Ｅｕ、ＣａＬａ２Ｓ４：Ｃｅ．（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕなどが使用可能である。しかしながら、前記物質に加えて、青色光を黄色光、赤色光及び緑色光の少なくともいずれかに変換するいかなる蛍光体も使用可能である。もちろん、このような蛍光体を混合して混色光、特に、白色光を放出することができる。また、量子点層は、量子点と有機バインダを備えてなる。量子点層もまた、青色光をそれよりも長波長の黄色光、赤色光、緑色光及びこれらの混色光のうちのいずれかに変換することができる。このような量子点物質として、例えば、赤色量子点物質としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅなどのII−IV族化合物半導体ナノ結晶、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどのIII−Ｖ族化合物半導体ナノ結晶または前記物質の混合物が使用可能である。
上述したように、本発明の一実施形態に係る発光素子は、発光セル１００から放出される光の波長を変換する波長変換層２００が発光セル１００の半導体層から離れて基板１１０の背面及び側面に形成される。また、波長変換層２００をウェーハレベルで形成するために、複数の発光セル１００が形成された基板１１０の背面に切欠部１７０を形成した後、切欠部１７０を有する基板１１０の背面に波長変換層２００を形成してもよい。このため、発光セル１００の半導体層から離れて波長変換層２００が形成されて半導体層から発生する熱による蛍光体の変成または破損を防ぐことができ、これにより、発光素子の輝度の低下が防がれる。
また、本発明の実施形態に係る発光素子は、発光セル１００単位で製作してもよい。すなわち、本発明の一実施形態に係る発光素子は、上面に複数の発光セル１００が形成された基板１１０の背面及び側面に波長変換層２００が形成されていたが、図３に示すように、一つの発光セル１００が形成された基板１１０の背面及び側面に波長変換層２００が形成されてもよい。このような一つの発光セル１００単位の発光素子は、図１及び図２に基づいて説明された複数の発光セル１００が形成された発光素子を発光セル１００単位でスクライビングすることにより製造可能である。なお、このような発光素子は、所定のパッドが形成されたサブマウント基板にバンプを用いて接合可能である。
一方、発光素子から放出される光は、所望の出射面以外の様々な方向に放出される。すなわち、活性層１３０から放出される光は、例えば、第２電極１６０側の出射面に放出されるだけではなく、それと逆方向の基板１１０方向に放出される。このため、活性層から放出される光は、半導体層を数回通過した後、出射面方向に放出される。このとき、光は、半導体層に吸収されるため、光取出効率が低下し、輝度が低下するという問題が生じる。このような問題点を解消するための本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子を図４乃至図６を用いて説明すれば、下記の通りである。
図４及び図５は、本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図であり、図６は、本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子の光路を説明するための概略図である。以下の説明では、上述した内容と重なる内容についての説明は省略する。
図４及び図５を参照すると、本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子は、基板１１０の上に複数の半導体層が形成されて所定の波長の光を放出する発光セル１００と、基板１００の背面及び側面に形成されて発光セル１００から放出された光のバンドギャップを変換するために光の波長を変換する波長変換層２００と、波長変換層２００の上に形成されて発光セル１００から放出された光を反射する反射層３００と、を備える。また、発光セル１００は、基板１１０の上に順次に形成された第１半導体層１２０と、活性層１３０及び第２半導体層１４０と、活性層１３０及び第２半導体層１４０が一部エッチングされて露出された第１半導体層１２０及び第２半導体層１４０の上にそれぞれ形成された第１及び第２電極１５０、１６０を備える。さらに、第２半導体層１４０の上には、第２電極１６０を介して印加される電源を第２半導体層１４０に均一に供給し、且つ、活性層１３０から発光した光が透過可能に透明電極（図示せず）が形成されてもよい。透明電極は、透明導電性物質から形成されてもよいが、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯｘ、ＴｉＯｘ、ＩｒＯｘなどを用いて形成してもよい。
波長変換層２００は、発光セル１００から発光して反射層３００方向に放出される光の波長を変換し、これにより、バンドギャップを変化させるために設けられる。発光セル１００の活性層１３０から発光した光は、第２半導体層１４０を通過して上側に放出されてもよく、第１半導体層１２０を通過して下側に放出されてもよい。このとき、発光セル１００の下側に放出される光は、例えば、金属物質からなる反射層２００によって反射されて再び発光セル１００を通過して上側に放出されうる。ところが、光は、発光セル１００の複数の半導体層、すなわち、第１半導体層１２０と、活性層１３０及び第２半導体層１４０を通過しながらこれらの半導体層に吸収されるため、光取出効率が低下してしまう。すなわち、光は、それよりも低いバンドギャップを有する物質に吸収されるが、光のバンドギャップが半導体層のバンドギャップよりも低ければ、半導体層に吸収される。例えば、発光セル１００から４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲の波長を有する青色光が放出されると、青色光は、約２．９ｅＶのバンドギャップを有し、半導体層の構成物質がＩｎＧａＮである場合、ＩｎＧａＮは、約２．８ｅＶのバンドギャップを有するため、青色光は、半導体層を通過しながら半導体層に吸収される。このため、上側に放出される光に比べて、下側から反射されて上側に放出される光は、半導体層を多数通過しながら光損失が発生する。しかしながら、本発明は、所望の出射面とは逆方向の基板１１０の背面及び側面に波長変換層２００を形成し、波長変換層２００を通過する光の波長を変換して半導体層のバンドギャップよりも低いバンドギャップを持たせることにより、上側に放出される光Ａだけではなく、下側から反射されて上側に放出される光Ｂが損失されず、光取出効率を向上させることができる。例えば、波長変換層２００は、発光セル１００から発光する４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長を有する青色光をそれよりも高い波長、すなわち、４９０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する緑色光、５６０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長を有する黄色光、５９０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長を有する赤色光またはその混色光に変換する。このように青色光がそれよりも長波長の色の光に変換されると、バンドギャップは低くなる。これは、波長が長いほど、バンドギャップが低くなるためである。例えば、緑色光は、約２．１７ｅＶ〜２．５ｅＶのバンドギャップを有し、黄色光は、約２．１１ｅＶ〜２．１７ｅＶのバンドギャップを有し、赤色光は、約１．６５ｅＶ〜２．０１ｅＶのバンドギャップを有する。また、波長変換層２００は、入射する光の波長を変換する種々の物質から形成可能であるが、例えば、蛍光体層、量子点層などを用いて形成可能である。すなわち、波長変換層２００に蛍光体が含有されたペーストを塗布して蛍光体層を形成してもよく、量子点が含有されたペーストを塗布して量子点層を形成してもよく、２枚の透明板の間に量子点が含有された有機物質が形成された量子点層を形成してもよい。
反射層３００は、発光セル１００から発光して下側に放出され、波長変換層２００によって波長が変換された光を上部に反射するために高い反射率を有する物質から形成されてもよい。このような反射層３００は、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ及びその合金から形成されてもよく、９０％以上の反射率を有することが好ましい。反射層３００は、ウェーハレベルで波長変換層２００の上に蒸着して形成してもよく、発光セル１００が載置されるパッケージのカップ底面であってもよい。このとき、パッケージのカップ底面は、高反射率の金属からなる。
さらに、図７に示すように、反射層３００の上に支持層４００を形成してもよい。すなわち、支持層４００の上部に反射層３００と、波長変換層２００及び発光セル１００が形成されてもよいが、支持層４００の上にエポキシなどの接着剤を用いて反射層３００を貼り付けることができる。このような支持層４００は、発光セル１００を支持しうる種々の形状及び材料を用いて実現可能であるが、例えば、金属物質から製作可能である。支持層４００が金属物質から製作されれば、発光セル１００から発生した熱が放出されやすい。なお、熱の放出を一層容易に行うために、支持層４００の背面には、突起構造などのヒートシンクが形成されてもよい。ヒートシンクが形成されることにより、支持層４００の表面積が広くなり、これにより、大気との接触面積が広くなるので、一層効率よく放熱可能である。
図８は、本発明の一実施形態に係る発光素子を用いた発光素子パッケージの断面図である。
図８を参照すると、本発明に係る発光素子パッケージは、パッケージ本体５００と、パッケージ本体５００の内側において露出され、外側に突設されたリードフレーム６００と、リードフレーム６００上の所定の領域に形成された波長変換層２００と、波長変換層２００の上に設けられて光を放出するための発光セル１００と、発光セル１００をリードフレーム６００と電気的に接続するためのワイヤ７００と、発光セル１００を封止するモールディング部８００と、モールディング部８００内に設けられた蛍光体９００と、を備える。ここで、発光セル１００が取り付けられるパッケージ本体５００に加えて、スラグ、基板及びモールドカップを有する胴体を用いることができるが、以下では、パッケージ本体５００を例にとって説明する。
パッケージ本体５００は、リードフレーム６００を支持し、発光セル１００が載置されるハウジング５１０と、ハウジング５１０の上に形成され、発光セル１００から発光した光が出射される開口部を形成するリフレクター５２０と、を備える。このようなパッケージ本体５００は、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂に白色顔料が添加されたＥＭＣ（エポキシモールドコンパウンド）を用いてトランスファ成形法により製作してもよく、これにより、ハウジング５１０とリフレクター５２０とは一体に製作される。すなわち、本発明に係る発光素子の支持層４００がパッケージ本体５００のハウジング５１０になりうる。換言すれば、ハウジング５１０が支持層４００として機能しうる。もちろん、ハウジング５１０と支持層４００が別々に製作されて支持層３００を有する発光素子がハウジング５１０の上に載置されてもよい。一方、リフレクター５２０は、ハウジング５１０の上面から上向きに突き出た反射面を有する。反射面には、反射物質が塗布されうる。このとき、リフレクター５２０の少なくとも一領域の反射面の高さを調節することができるが、この場合、発光セル５００から発光する光の出射範囲を調節することもできる。なお、反射面は、内側に所定の角度だけ傾くように形成されてもよい。一方、リフレクター５２０の形状は、円形であってもよく、四角形であってもよいが、これに限定されるものではなく、発光装置の用途に応じて発光セル１００から放出される光の出射範囲を調節可能なように種々に変更可能である。
リードフレーム６００は、発光セル１００に外部電源を印加するためのものであり、一方の側及び他方の側にそれぞれ形成された第１及び第２リードフレーム６１０及び６２０を備える。リードフレーム６００は、ハウジング５１０上において支持され、ハウジング５１０とリフレクター５２０との間に隔設されてもよい。すなわち、第１及び第２リードフレーム６１０及び６２０が互いに離れてハウジング５１０の上からパッケージ本体５００の一方の側及び他方の側に延設される。ここで、発光セル１００が載置される、例えば、第１リードフレーム６１０は、発光素子の反射層４００として働く。すなわち、支持層４００と、反射層３００と、波長変換層２００及び発光セル１００が積層された発光素子において、支持層４００及び反射層３００を別途に形成することなく、ハウジング５１０及び第１リードフレーム６１０をそれぞれ支持層４００及び反射層３００として用いることができる。しかしながら、リードフレーム６００と反射層３００が別々に製作されて反射層３００を有する発光素子がリードフレーム６００の上に載置されてもよい。
ワイヤ（７１０、７２０）７００は、発光セル１００をリードフレーム６００と電気的に接続する。ワイヤ７００は、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）から形成されてもよい。第１ワイヤ７１０は、発光セル１００の第２電極１６０と第１リードフレーム６１０を電気的に接続し、第２ワイヤ７２０は、発光セル１００の第１電極１５０と第２リードフレーム６２０を電気的に接続する。
モールディング部８００は、発光セル１００を封止し、発光セル１００と接続されたワイヤ７００を固定する役割を果たす。また、モールディング部８００は、発光セル１００から発光する光を集めるレンズの役割を果たす。このようなモールディング部８００は、発光セル１００から発光した光を外部に透過しなければならないため、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂などの透明樹脂から形成される。また、モールディング部８００には、屈折率調節剤（図示せず）がさらに含まれていてもよい。屈折率調節剤としては、サファイア粉末が使用可能である。一方、屈折率調節剤に加えて、発光セル１００から放出された光を散乱によってさらに拡散させることにより均一に発光するために、拡散剤（図示せず）をさらに添加してもよい。拡散剤としては、ＢａＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが使用可能である。なお、モールディング部８００内には、蛍光体９００が添加される。
蛍光体９００は、発光セル１００から発光した光の少なくとも一部を吸収して吸収された光と異なる波長の光を放出する。このとき、蛍光体９００は、発光セル１００から出射面に放出される光の波長を変換して放出し、発光セル１００の出射面と向かい合う方向、すなわち、発光セル１００の下部に設けられた波長変換層２００によって波長が変換されて発光セル１００を介して放出される光は、選択的に波長を変換して放出する。本発明の実施形態においては、蛍光体９００が発光セル１００から発光した青色光を白色光に変換する。このために、例えば、黄色蛍光体と赤色蛍光体を用いることができる。このとき、波長変換層２００を介して放出される光は、波長変換層２００によって既に波長が変換されたため、これを白色光に変換する蛍光体９００がさらに備えられていてもよい。また、蛍光体９００としては、波長変換層２００として用いられる蛍光体を用いてもよく、これとは異なる黄色蛍光体及び赤色蛍光体を用いてもよい。なお、モールディング部８００内の蛍光濃度と波長変換層２００の蛍光濃度を適切に異ならせて演色指数（ＣＲＴ）を向上させることもできる。
図９は、本発明の他の実施形態に係る発光素子パッケージの断面図であって、第２波長変換層１０００がモールディング部８００の上部に形成される。すなわち、第１波長変換層２００が発光セル１００の下部に形成され、第２波長変換層１０００は発光セル１００を覆うように形成されたモールディング部８００の上部に形成される。このとき、第２波長変換層１０００も、第１波長変換層２００と同様に、蛍光体ペーストを用いて形成してもよく、量子点を用いて形成してもよい。なお、モールディング部８００内の蛍光濃度と波長変換層２００の蛍光濃度を適切に異ならせて演色指数（ＣＲＴ）を向上させることもできる。
本発明の技術的思想は、前記実施形態によって具体的に記述されたが、前記実施形態は、その説明のためのものであり、その制限のためのものではないということはいうまでもない。なお、本発明の技術分野における当業者は、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が採用可能であるということが理解できるであろう。
１００：発光セル
２００：波長変換層
３００：反射層
４００：支持層
１１０：基板
１２０：第１半導体層
１３０：活性層
１４０：第２半導体層
１５０：第１電極
１６０：第２電極
１７０：切欠部

Claims (17)

  1. 複数の半導体層を備え、所定の波長の光を放出する複数の発光セルが一方の面に形成された基板と、
    前記基板の他方の面に所定の深さで形成された複数の切欠部と、
    前記基板の他方の面及び複数の切欠部の上に形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層と、
    を備える発光素子。
  2. 前記基板は、透光性基板を備える請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記切欠部は、少なくとも一つの発光セルを分離するためのスクライブラインと重なって形成される請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記波長変換層は、蛍光体層及び量子点層のうちの少なくともいずれか一方を備える請求項３に記載の発光素子。
  5. 基板の一方の面の上に形成され、複数の半導体層を備えて所定の波長の光を放出する発光セルと、
    前記基板の他方の面及び側面の一部の高さまで形成されて前記発光セルから放出される光の波長を変換する波長変換層と、
    を備える発光素子。
  6. 前記基板は、透光性基板を備える請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記波長変換層は、蛍光体層及び量子点層のうちの少なくともいずれか一方を備える請求項５に記載の発光素子。
  8. 前記波長変換層の上に形成されて、前記波長変換層によって波長が変換された光を反射する反射層をさらに備える請求項７に記載の発光素子。
  9. 前記波長変換層は、前記発光セルから放出される光を低いバンドギャップを有する光に変換する請求項８に記載の発光素子。
  10. 前記反射層の上に形成された支持層をさらに備える請求項８に記載の発光素子。
  11. 前記支持層は、金属から形成された請求項１０に記載の発光素子。
  12. 前記支持層は、ヒートシンクを備える請求項１０に記載の発光素子。
  13. 前記発光セルの上に形成された第２波長変換層をさらに備える請求項８に記載の発光素子。
  14. 前記発光セルから離れた個所に形成された第２波長変換層をさらに備える請求項８に記載の発光素子。
  15. 基板の一方の面の上にそれぞれ複数の半導体層を積層して複数の発光セルを形成するステップと、
    前記基板の他方の面に所定の深さで複数の切欠部を形成するステップと、
    前記複数の切欠部を有する前記基板の他方の面及び複数の切欠部の上に波長変換層を形成するステップと、
    を含む発光素子の製造方法。
  16. 前記波長変換層の上に反射層を形成するステップをさらに含む請求項１５に記載の発光素子の製造方法。
  17. 前記反射層の上に支持層を形成するステップをさらに含む請求項１６に記載の発光素子の製造方法。
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