JP2015002232A

JP2015002232A - 発光デバイス

Info

Publication number: JP2015002232A
Application number: JP2013125377A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　稔; Minoru Suzuki; 稔鈴木; 卓岡村; Taku Okamura
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2015-01-05

Abstract

【課題】発光層が形成された基材の厚みに関わらず高い輝度を実現可能な発光デバイスを提供する。【解決手段】発光デバイス（２）であって、基材（１２）と、基材の表面に形成された発光層と、基材の裏面に配設された透光性部材（１６）と、からなり、透光性部材の内部には、改質領域（１８）が形成された構成とした。【選択図】図２

Description

本発明は、基材に形成された発光層を備える発光デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、レーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等の発光デバイスは、通常、電圧の印加によって光を放出する発光層が形成された発光チップを備えている。発光チップは、例えば、発光層を含む複数の半導体層の積層体を結晶成長用のサファイア基板（基材）の表面に形成した後、当該サファイア基板を分割することで得られる。

発光デバイスの製造では、まず、発光チップのサファイア基板側を、基台となるリードフレームに固定し、積層体の表面側に設けられた電極とリードフレームの接続端子とをワイヤーボンディングで接続する。その後、発光チップの積層体側をレンズ部材で覆うことにより、発光デバイスが形成される（例えば、特許文献１参照）。

上述したワイヤーボンディング実装に代えて、発光チップの積層体側をパッケージ実装面に固定するフリップチップ実装を用いて発光デバイスを製造することもある。フリップチップ実装で製造される発光デバイスは、主に、積層体の裏面から放出される光を利用するので、ワイヤーボンディング実装で製造される発光デバイスに比べて高輝度化に有利である。

特開平４−１０６７０号公報

上述のような発光デバイスにおいて積層体の裏面から放出された光は、サファイア基板内を伝播し、その一部は、サファイア基板の裏面等で反射して積層体に戻る。このように積層体に戻る光は、積層体で吸収されて再び外部に取り出されることがないので、発光デバイスの輝度を低下させる要因となる。

ところで、発光チップに使用されるサファイア基板のモース硬度は非常に高く、厚いサファイア基板は分割に適さない。そこで、積層体が形成されたサファイア基板を、発光チップに分割する前に、研削等の方法で薄く加工するのが一般的である。

しかしながら、サファイア基板を薄化すると、積層体の裏面からサファイア基板の裏面までの距離が短くなり、サファイア基板の裏面で反射して積層体に戻る光の割合は高くなる。その結果、発光デバイスの輝度が低下してしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光層が形成された基材の厚みに関わらず高い輝度を実現可能な発光デバイスを提供することである。

本発明によれば、発光デバイスであって、基材と、該基材の表面に形成された発光層と、該基材の裏面に配設された透光性部材と、からなり、該透光性部材の内部には、改質領域が形成されていることを特徴とする発光デバイスが提供される。

また、前記発光デバイスにおいて、該基材は、サファイアからなり、該発光層は、ＧａＮ系半導体からなることが好ましい。

本発明によれば、基材の裏面側に、発光層から放出される光を透過させる透光性部材を備えるので、基材が薄い場合にも、発光層に戻る光の割合を低く抑えて光の取り出し効率を高めることができる。

また、透光性部材の内部には、改質領域が形成されているので、透光性部材の内部で光を散乱させて光の取り出し効率をさらに高めることができる。このように、本発明によれば、発光層が形成された基材の厚みに関わらず高い輝度を実現可能な発光デバイスを提供できる。

実施の形態１に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。実施の形態１に係る発光デバイスの発光チップから光が放出される様子を模式的に示す模式的断面図である。図３（Ａ）は、改質領域の構成例を模式的に示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、改質領域の構成例を模式的に示す断面図である。改質領域の別の構成例を模式的に示す断面図である。実施の形態２に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。実施の形態２に係る発光デバイスの発光チップから光が放出される様子を模式的に示す模式的断面図である。輝度の測定結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施の形態１では、ワイヤーボンディング実装による発光デバイスについて説明し、実施の形態２では、フリップチップ実装による発光デバイスについて説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、ワイヤーボンディング実装による発光デバイスについて説明する。図１は、本実施の形態に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る発光デバイスの発光チップから光が放出される様子を模式的に示す模式的断面図である。

図１及び図２に示すように、発光デバイス２は、基台となるリードフレーム４と、リードフレーム４に支持固定される発光チップ６とを備えている。リードフレーム４は、金属等の材料で円柱状に形成されており、一方の底面に相当する裏面４ｂ側には、導電性を有する２本のリード部材８ａ，８ｂが設けられている。

リード部材８ａ，８ｂは互いに絶縁されており、それぞれ発光デバイス２の正極、負極として機能する。このリード部材８ａ，８ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。

リードフレーム４の他方の底面に相当する表面４ａには、互いに絶縁された２個の接続端子１０ａ，１０ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続端子１０ａとリード部材８ａとは、リードフレーム４の内部において接続されている。また、接続端子１０ｂとリード部材８ｂとは、リードフレーム４の内部において接続されている。このため、接続端子１０ａ，１０ｂの電位は、それぞれ、リード部材８ａ，８ｂの電位と等しくなる。

リードフレーム４の表面４ａにおいて、接続端子１０ａと接続端子１０ｂとの間の位置には、発光チップ６が配置されている。発光チップ６は、平面形状が矩形状のサファイア基板（基材）１２と、サファイア基板１２の表面１２ａに設けられた積層体１４とを備えている。

積層体１４は、ＧａＮ系半導体材料を用いて形成された複数の半導体層を含む。ここで、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＧａＮ、ＢＡｌＧａＩｎＮ等のＧａＮを含む３族窒化物半導体（３族元素を含む窒化物半導体）のことをいう。ただし、積層体１４は、必ずしもＧａＮ系半導体材料で形成された半導体層を含まなくて良い。

積層体１４は、例えば、電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層（代表的には、ｎ型ＧａＮ層）、発光層となる半導体層（代表的には、ＩｎＧａＮ層）、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層（代表的には、ｐ型ＧａＮ層）を順にエピタキシャル成長させることで形成される。

また、サファイア基板１２には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のそれぞれと接続され、積層体１４に電圧を印加する２個の電極（不図示）が形成される。なお、これらの電極は、積層体１４に含まれても良い。

サファイア基板１２の裏面１２ｂ側（すなわち、発光チップ６の裏面６ｂ側）には、直方体状の透光性部材１６が配置されている。透光性部材１６は、ガラス（例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス）や樹脂等の材料で形成されており、積層体１４の発光層から放射される光を透過する。

透光性部材１６の表面１６ａの面積は、サファイア基板１２の裏面１２ｂの面積より大きくなっている。また、透光性部材１６は、サファイア基板１２と同等以上の厚みを有することが望ましい。

透光性部材１６の内部には、光を散乱する複数の改質領域１８が形成されている。図３（Ａ）は、改質領域１８の構成例を模式的に示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、改質領域１８の構成例を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、複数の改質領域１８は、透光性部材１６の表面１６ａ（又は裏面１６ｂ）から等しい距離の位置に形成されている。各改質領域１８は、透光性部材１６の表面１６ａ（又は裏面１６ｂ）と平行な方向に延びる直線状に形成されると共に、等間隔に配置されている。

また、各改質領域１８は、透光性部材１６の深さ方向に所定の厚みを有している。この改質領域１８は、例えば、透光性部材１６に吸収され難い波長のレーザービームを、透光性部材１６の内部に集光させることで形成される。

なお、隣接する改質領域１８同士の間隔は任意に設定できる。ただし、透光性部材１６の内部に改質領域１８が密集すると、改質領域１８による光の損失が大きくなって輝度は低下してしまう。一方、改質領域１８の密度が低いと、光は十分に散乱されず、高い輝度を得るのが難しくなる。

そのため、隣接する改質領域１８同士の間隔は、５μｍ〜１００μｍとするのが好ましく、２０μｍ〜５０μｍとするとさらに好ましい。特に、隣接する改質領域１８同士の間隔を２０μｍ〜５０μｍとする場合には、改質領域１８において光が適切に散乱されるので、発光デバイス２の輝度を十分に高めることができる。

透光性部材１６の表面１６ａは、透光性を有する樹脂（不図示）でサファイア基板１２の裏面１２ｂの全体に接着されている。また、透光性部材１６の裏面１６ｂは、透光性を有する樹脂（不図示）でリードフレーム４の表面４ａに接着されている。つまり、発光チップ６は、透光性部材１６を介してリードフレーム４の表面４ａに固定されている。

リードフレーム４に設けられた２個の接続端子１０ａ，１０ｂは、それぞれ、導電性を有するリード線２０ａ，２０ｂを介して、発光チップ６の２個の電極に接続されている。

これにより、リード部材８ａ，８ｂに接続される電源の電圧が、積層体１４に印加される。積層体１４に電圧が印加されると、発光層となる半導体層には、ｎ型半導体層から電子が流れ込むと共に、ｐ型半導体層から正孔が流れ込む。

その結果、発光層となる半導体層において電子と正孔との再結合が生じ、所定の波長の光が放出される。本実施の形態では、ＧａＮ系の半導体材料を用いて発光層となる半導体層を形成しているので、ＧａＮ系の半導体材料のバンドギャップに相当する青色や緑色の光が放出される。

リードフレーム４の表面４ａ側の外周縁には、発光チップ６の表面６ａ側を覆うドーム状のレンズ部材２２が取り付けられている。レンズ部材２２は、所定の屈折率を有する樹脂等の材料で形成されており、発光チップ６の積層体１４から放出される光を屈折させて、発光デバイス２の外部の所定方向へと導く。このように、発光チップ６から放出された光は、レンズ部材２２を通じて発光デバイス２の外部に取り出される。

次に、本実施の形態に係る発光デバイス２において発光チップ６から光が取り出される様子を説明する。図２に示すように、本実施の形態に係る発光デバイス２において、発光層となる半導体層で生じた光は、主に、積層体１４の表面１４ａ（すなわち、発光チップ６の表面６ａ）、及び裏面１４ｂから放出される。

積層体１４の表面１４ａから放出された光（例えば、光路Ａ１参照）は、上述のように、レンズ部材２２等を通じて発光デバイス２の外部に取り出される。また、積層体１４の裏面１４ｂから放出された光（例えば、光路Ａ２参照）の一部は、サファイア基板１２と透光性部材１６との界面を透過し、改質領域１８に入射する。

改質領域１８に入射した光は、改質領域１８で様々な方向に反射（散乱）し、又は、改質領域１８を透過する。このように、改質領域１８によって様々な方向に伝播された光は、透光性部材１６の側面１６ｃ等から外部に取り出される。

一方、透光性部材１６が設けられていない従来の発光デバイスでは、上述のように積層体の裏面から放出された光の一部が、透光性部材を伝播して外部に取り出されることはない。

例えば、従来の発光デバイスにおいて積層体の裏面から放出された光の一部は、サファイア基板の裏面（サファイア基板とリードフレームとの界面）で全反射して積層体に戻ってしまう。積層体は光を吸収するので、従来の発光デバイスでは、このような光を外部に取り出すことができない。

特に、サファイア基板が薄く加工されている場合には、従来の発光デバイスにおいて、積層体の裏面から、サファイア基板の裏面までの距離は短くなる。その結果、サファイア基板の裏面で反射して積層体に戻る光の割合が高くなり、光の取り出し効率は大幅に低下してしまう。

これに対して、本実施の形態に係る発光デバイス２は、サファイア基板（基材）１２の裏面１２ｂ側に、発光層から放射される光を透過させる透光性部材１６を備えるので、サファイア基板１２が薄い場合にも、発光層に戻る光の割合を低く抑えて光の取り出し効率を高めることができる。

また、透光性部材１６の内部には、改質領域１８が形成されているので、透光性部材１６の内部で光を散乱させて光の取り出し効率をさらに高めることができる。このように、本実施の形態によって、発光層が形成されたサファイア基板１２の厚みに関わらず高い輝度を実現可能な発光デバイス２を提供することができる。

なお、透光性部材１６の内部に形成される改質領域１８の構成は、特に限定されない。少なくとも、積層体１４から放出される光を散乱して、光の取り出し効率を高めることができれば良い。例えば、本実施の形態では、レーザービームを集光させる方法で改質領域１８を形成しているが、別の方法で改質領域１８を形成しても良い。

また、改質領域１８の数量、配置等についても特に限定されない。図４は、改質領域１８の別の構成例を模式的に示す断面図である。例えば、図４（Ａ）に示すように、透光性部材１６の深さ方向に複数列（ここでは、３列）の改質領域１８を形成しても良い。

また、図４（Ｂ）に示すように、透光性部材１６の深さ方向に複数列（ここでは、２列）の改質領域１８を形成すると共に、第１列において隣接する改質領域１８ａの間の位置に、第２列の改質領域１８ｂを配置しても良い。

（実施の形態２）
本実施の形態では、フリップチップ実装による発光デバイスについて説明する。図５は、本実施の形態に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図であり、図６は、本実施の形態に係る発光デバイスの発光チップから光が放出される様子を模式的に示す模式的断面図である。

図５及び図６に示すように、発光デバイス３２は、パッケージ３４と、パッケージ３４に支持固定される発光チップ３６とを備えている。パッケージ３４は、発光チップ３６を収容可能な凹部を有する有底容器である。凹部の底面は、発光チップ３６が実装される実装面３４ａとなっている。

実装面３４ａには、互いに絶縁された２個の接続電極３８ａ，３８ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続電極３８ａ，３８ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。なお、接続電極３８ａ，３８ｂの表面は、発光チップ３６から放出される光の反射面としても機能する。凹部の筒状の内周面３４ｂは鏡面状に仕上げられており、光を効率良く反射する。

発光チップ３６は、平面形状が矩形状のサファイア基板（基材）４０と、サファイア基板４０の表面４０ａに設けられた積層体４２とを備えている。発光チップ３６の構成は、実施の形態１に示した発光チップ６の構成と同様である。

なお、本実施の形態の発光チップ３６は、積層体４２の表面４２ａ側（発光チップ３６の表面３６ａ側）に、バンプと呼ばれる突起状の電極（不図示）を備えている。発光チップ３６の表面３６ａ側が実装面３４ａに支持固定されることで、この突起状の電極が接続電極３８ａ，３８ｂに接続される。

サファイア基板４０の裏面４０ｂ側（すなわち、発光チップ３６の裏面３６ｂ側）には、直方体状の透光性部材４４が配置されている。透光性部材４４は、ガラス等の材料で形成されており、積層体４２の発光層から放射される光を透過する。透光性部材４４の内部には、光を散乱する複数の改質領域４６が形成されている。透光性部材４４の構成は、実施の形態１に示した透光性部材１８の構成と同様である。

次に、本実施の形態に係る発光デバイス３２において発光チップ３６から光が取り出される様子を説明する。図６に示すように、本実施の形態の発光デバイス３２では、積層体４２の裏面４２ｂから放出された光の大部分が、サファイア基板４０と透光性部材４４との界面を透過し（例えば、光路Ｂ１参照）、その一部は、改質領域４６に入射する。

改質領域４６に入射した光は、改質領域４６で様々な方向に反射（散乱）し、又は、改質領域４６を透過する。このように、改質領域４６によって様々な方向に伝播された光は、透光性部材４４の表面４４ａ、裏面４４ｂ、側面４４ｃ等から外部に取り出される。

一方、透光性部材４４が設けられていない従来の発光デバイスでは、上述のように積層体の裏面から放出された光の一部は、空気との界面に相当するサファイア基板の裏面で全反射して積層体に戻ってしまう。積層体は光を吸収するので、従来の発光デバイスでは、このような光を外部に取り出すことができない。

これに対して、本実施の形態に係る発光デバイス３２は、サファイア基板（基材）４０の裏面４０ｂ側に、発光層から放射される光を透過させる透光性部材４４を備えるので、サファイア基板４０が薄い場合にも、発光層に戻る光の割合を低く抑えて光の取り出し効率を高めることができる。

また、透光性部材４４の内部には、改質領域４６が形成されているので、透光性部材４４の内部で光を散乱させて光の取り出し効率をさらに高めることができる。このように、本実施の形態によって、発光層が形成されたサファイア基板４０の厚みに関わらず高い輝度を実現可能な発光デバイス３２を提供することができる。

本実施の形態で示す構成、方法等は、他の実施の形態に係る構成、方法等と適宜組み合わせることが可能である。

次に、本発明に係る発光デバイスの有効性を確認するために行った実験について説明する。本実験では、透光性部材を有しない従来の発光デバイス（比較例）、透光性部材を備える発光デバイス（実施例１）、及び改質領域が形成された透光性部材を備える発光デバイス（実施例２）のそれぞれについて、輝度を測定した。

具体的には、各発光デバイスから放射される全ての光の強度（パワー）の合計値を算出し（全放射束測定）、透光性部材を有しない比較例を基準（１００％）とする輝度に換算した。図７は、測定結果を示すグラフである。図７において、縦軸は、各発光デバイスの全放射束（ｍＷ）、又は輝度（％）を示している。

本実験では、比較例、実施例１、実施例２の全てにおいて、共通の発光チップを使用した。発光チップの大きさは、０．３ｍｍ×０．６ｍｍ×０．１５ｍｍであった。また、実施例１、実施例２においては、０．３ｍｍ×０．７ｍｍ×０．１５ｍｍの大きさのガラス板を透光性部材として用い、発光チップの裏面側に接着した。ガラスの接着は、吸光度が十分に小さい樹脂製の接着剤を用いて行った。

また、実施例２においては、改質領域が形成されたガラス板を透光性部材として使用した。この改質領域は、波長が５３２ｎｍ、出力が０．０９Ｗのレーザービームを、送り速度１５０ｍｍ／ｓの条件でガラス板に照射することで形成された。改質領域の厚みは５μｍ程度とした。

隣接する改質領域同士の間隔は、３μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、１００μｍのいずれかとした。実施例１との比較の結果、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍの場合において、実施例１との有意差が見られた。すなわち、隣接する改質領域同士の間隔を２０μｍ〜５０μｍとすることで、特に高い効果が得られた。図７では、代表的に、隣接する改質領域同士の間隔が２５μｍの場合を、実施例２として示している。

比較例及び実施例１の結果から、発光チップの裏面側に透光性部材を設けることで、輝度を５．６％程度高められることが分かる。また、実施例１及び実施例２の結果から、透光性部材に改質領域を形成することで、輝度をさらに３．３％程度高められることが分かる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施の形態では、サファイア基板とＧａＮ系の半導体材料とを用いる発光チップを例示したが、結晶成長用の基板及び半導体材料はこれに限定されない。

また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光層となる半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた積層体を例示したが、積層体の構成はこれに限定されない。積層体は、少なくとも、電子と正孔との再結合により光を放出できるように構成されていれば良い。

その他、上記実施の形態に係る構成、方法などは、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２，３２発光デバイス
４リードフレーム
６，３６発光チップ
８ａ，８ｂリード部材
１０ａ，１０ｂ接続端子
１２，４０サファイア基板（基材）
１４，４２積層体
１６，４４透光性部材
１８，４６改質領域
２０ａ，２０ｂリード線
３４パッケージ
３８ａ，３８ｂ接続電極
Ａ１，Ａ２，Ｂ１光路

Claims

発光デバイスであって、
基材と、
該基材の表面に形成された発光層と、
該基材の裏面に配設された透光性部材と、からなり、
該透光性部材の内部には、改質領域が形成されていることを特徴とする発光デバイス。
該基材は、サファイアからなり、
該発光層は、ＧａＮ系半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。