JP2015053361A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性が高い半導体発光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、半導体層と、前記半導体層上に設けられた第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層内に配置された第１の蛍光体粒子と、前記第１の樹脂層上に設けられ、前記第１の樹脂層に接した第２の樹脂層と、を備える。前記第１の樹脂層における前記第２の樹脂層に接触している面には凹部が形成されており、前記凹部内は、前記第２の樹脂層の一部によって充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置及びその製造方法に関する。
従来より、ウェーハ上に半導体層を結晶成長させ、この半導体層上に電極を形成し、樹脂体によって封止した後、ウェーハを除去し、半導体層の露出面上に蛍光体層を形成し、個片化することにより、半導体発光装置を製造する方法が提案されている。この方法によれば、ウェーハ上に形成した微細な構造体をそのままパッケージ化することができ、微細な半導体発光装置を効率よく製造することができる。
特開２０１０−３４１８４号公報
本発明の目的は、信頼性が高い半導体発光装置及びその製造方法を提供することである。
実施形態に係る半導体発光装置は、半導体層と、前記半導体層上に設けられた第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層内に配置された第１の蛍光体粒子と、前記第１の樹脂層上に設けられ、前記第１の樹脂層に接した第２の樹脂層と、を備える。前記第１の樹脂層における前記第２の樹脂層に接触している面には凹部が形成されており、前記凹部内は、前記第２の樹脂層の一部によって充填されている。
実施形態に係る半導体発光装置の製造方法は、半導体層上に、複数の第１の蛍光体粒子が含まれる第１の樹脂層を形成する工程と、前記第１の樹脂層の上部を除去することにより、一部の前記第１の蛍光体粒子を前記第１の樹脂層から脱落させて凹部を形成する工程と、前記第１の樹脂層上に、その一部が前記凹部内に進入するように、第２の樹脂層を形成する工程と、を備える。
（ａ）は第１の実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａを例示する一部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を例示する部分断面図である。 第２の実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。 第３の実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。 第４の実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。 第５の実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図である。 第６の実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は本実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａを例示する一部拡大断面図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置１の全体形状は直方体である。半導体発光装置１には、半導体層１０が設けられている。半導体層１０は、例えばガリウム窒化物（ＧａＮ）を含む化合物半導体により形成され、下層側から順に、ｐ形クラッド層１０ｐ、活性層１０ａ及びｎ形クラッド層１０ｎが積層されたＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）層である。厚さ方向から見て、半導体層１０の形状は矩形であり、４つの角部においてはｐ形クラッド層１０ｐ及び活性層１０ａが除去され、半導体層１０の下面にｎ形クラッド層１０ｎが露出している。また、半導体層１０の上面には、その周期が半導体層１０の出射光の波長と同程度である微細な凹凸が形成されている。
半導体層１０の下面上には、ｎ側電極１１ｎ及びｐ側電極１１ｐが設けられている。ｎ側電極１１ｎは半導体層１０のｎ形クラッド層１０ｎに接続されており、ｐ側電極１１ｐは半導体層１０のｐ形クラッド層１０ｐに接続されている。半導体層１０、ｎ側電極１１ｎ及びｐ側電極１１ｐからなる構造体の下面及び側面を覆うように、封止部材１２が設けられている。
ｎ側電極１１ｎの下方には配線層１３ｎが設けられており、その下にはｎ側ピラー１４ｎが設けられている。ｎ側ピラー１４ｎは配線層１３ｎを介してｎ側電極１１ｎに接続されている。ｐ側電極１１ｐの下方には配線層１３ｐが設けられており、その下にはｐ側ピラー１４ｐが設けられている。ｐ側ピラー１４ｐは配線層１３ｐを介してｐ側電極１１ｐに接続されている。そして、配線層１３ｎ及び１３ｐ、ｎ側ピラー１４ｎ、ｐ側ピラー１４ｐを覆うように、例えば黒色樹脂材料からなる封止部材１５が設けられている。封止部材１５の下面においては、ｎ側ピラー１４ｎの下面及びｐ側ビラ−１４ｐの下面が露出している。
半導体層１０及びその側方に位置する封止部材１２の上方には、樹脂層２１が設けられている。樹脂層２１は、透明又は半透明の樹脂材料により形成されており、例えば、シリコーン樹脂により形成されている。樹脂層２１内には、多数の蛍光体粒子２２が分散されている。蛍光体粒子２２は、半導体層１０から出射された第１の色の光を吸収することにより、第２の色の光を発光する粒子である。なお、図示の便宜上、図１（ａ）においては、蛍光体粒子２２は実際よりも大きく描かれている。
樹脂層２１上には、樹脂層２３が設けられている。樹脂層２３は、透明又は半透明の樹脂材料により形成されており、特定の色の光を選択的に反射又は散乱し、他の色の光を透過させる層である。樹脂層２３の下面２３ｂは、樹脂層２１の上面２１ａに接している。
そして、図１（ｂ）に示すように、樹脂層２１の上面２１ａには、多数の凹部２１ｃが形成されている。凹部２１ｃ内は、樹脂層２３の一部によって充填されている。
凹部２１ｃの大きさは、蛍光体粒子２２の大きさと同程度である。すなわち、凹部２１ｃの大きさは、蛍光体粒子２２が嵌合し得るような大きさである。一部の凹部２１ｃの形状は皿状であり、その開口部、すなわち上端部の直径が、凹部２１ｃの最大直径となっている。他の一部の凹部２１ｃの形状は壺状であり、その最大直径が開口部の直径よりも大きい。壺状の凹部２１ｃの最大直径の分布は、蛍光体粒子２２の直径の分布とほぼ一致する。このため、少なくとも１つの凹部２１ｃの最大直径は、蛍光体粒子２２の直径の分布の範囲内にある。一方、皿状の凹部２１ｃの最大直径の分布は、蛍光体粒子２２の直径の分布に対して、小さい側にずれている。従って、凹部２１ｃの最大直径の分布は、蛍光体粒子２２の直径の分布に対して、同程度及びそれ以下の範囲に広がっている。
なお、蛍光体粒子２２の直径の平均値は、例えば、１５μｍ程度である。蛍光体粒子の直径の分布は、蛍光体粒子の平均直径をｄとすると、例えば、０．１ｄ以上、２ｄ以下である。また、蛍光体粒子の平均直径ｄは、例えば、体積換算での粒径Ｄ５０と定義することができる。粒径Ｄ５０とは、累積して５０％になるような体積換算の中心値である。この場合、少なくとも１つの凹部２１ｃの最大直径は、（０．１×Ｄ５０）以上、（２×Ｄ５０）以下の範囲内にある。なお、粒径Ｄ５０の値として、体積換算の他に、重量換算又は個数換算を用いてもよい。
次に、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を例示する部分断面図である。
なお、図２（ａ）〜（ｃ）においては、図示の便宜上、樹脂層２１及び蛍光体粒子２２のみを示している。
先ず、図１（ａ）に示すように、結晶成長用の基板（図示せず）上に半導体層１０をエピタキシャル成長させ、選択的に除去して、区画化する。次に、ｎ側電極１１ｎ及びｐ側電極１１ｐを形成し、半導体層１０並びにｎ側電極１１ｎ及びｐ側電極１１ｐを埋め込むように、封止部材１２を形成する。次に、封止部材１２上に配線層１３ｎ及び１３ｐを形成し、ｎ側ピラー１４ｎ及びｐ側ピラー１４ｐを形成し、これらを埋め込むように封止部材１５を形成する。次に、結晶成長用の基板を除去して半導体層１０を露出させ、半導体層１０の露出面に凹凸を形成する。
次に、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、半導体層１０及び封止部材１２の上方、すなわち、結晶成長用の基板が設けられていた側に、多数の蛍光体粒子２２を含有した樹脂層２１を形成する。このとき、各蛍光体粒子２２の表面は樹脂層２１によって覆われ、樹脂層２１の上面２１ａには、蛍光体粒子２２が露出しない。
次に、図２（ｂ）に示すように、樹脂層２１の上面２１ａに対して例えば切削加工を施すことにより、樹脂層２１の上部を除去する。これにより、一部の蛍光体粒子２２が露出する。
次に、図２（ｃ）に示すように、さらに切削加工を続ける。これにより、露出していた蛍光体粒子２２が樹脂層２１から脱落し、脱落したあとに凹部２１ｃが形成される。このとき、切削加工の条件及び工具を適切に選択することにより、露出した蛍光体粒子２２をより確実に脱落させることができる。例えば、樹脂層２１から部分的に露出した蛍光体粒子２２の露出部分を工具が引っかけることにより、この蛍光体粒子２２を樹脂層２１から引き抜くことができる。このようにして、壺状の凹部２１ｃが形成される。又は、超音波洗浄を行うことにより、樹脂層２１から部分的に露出した蛍光体粒子２２を強制的に押し出してもよい。
次に、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、樹脂材料を塗布して、樹脂層２１上に樹脂層２３を形成する。このとき、樹脂層２３を形成する樹脂材料は、樹脂層２１の凹部２１ｃ内にも侵入し、凹部２１ｃ内を充填する。次に、半導体発光装置１の出射光の色度を調整するために、樹脂層２３の上面に対して切削加工を施し、樹脂層２３の厚さを調整する。このようにして、本実施形態に係る半導体発光装置１が製造される。
次に、本実施形態に係る半導体発光装置１の動作について説明する。
半導体発光装置１においては、ｐ側ピラー１４ｐとｎ側ピラー１４ｎとの間に電圧が印加されると、半導体層１０が例えば青色の光を出射する。樹脂層２１内に配置された蛍光体粒子２２は、半導体層１０から出射された光の一部を吸収し、例えば黄色の光を発光する。半導体層１０から出射された光の残部は樹脂層２１を透過する。これにより、半導体発光装置１の外部には、青色の光と黄色の光が出射されるため、半導体発光装置１の出射光は白色になる。
このとき、半導体層１０の出射光の波長は、プロセス条件等によってばらつく。このため、蛍光体粒子２２が発光する光の強度もばらつく。これにより、半導体発光装置１の出射光の色度がばらついてしまう。そこで、本実施形態においては、樹脂層２３を設け、その厚さを調整することにより、半導体発光装置１の出射光の色度を調整する。樹脂層２３は、半導体層１０から出射された光又は蛍光体粒子２２から発光された光を反射又は散乱する。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、樹脂層２１の上面２１ａに、多数の凹部２１ｃが形成されており、その内部に樹脂層２３が進入している。このため、アンカー効果により、樹脂層２１と樹脂層２３との密着性が高い。これにより、樹脂層２１と樹脂層２３とが剥離しにくく、剥がれ等の不具合が発生しにくい。この結果、半導体発光装置１は信頼性が高い。
また、凹部２１ｃ内に樹脂層２３が進入してため、樹脂層２１と樹脂層２３との接触面積が大きい。このため、樹脂層２１から樹脂層２３への光の伝達効率が高く、光の取出効率が高い。更に、樹脂層２１と樹脂層２３との界面に凹凸構造が形成されているため、この界面における光の全反射成分が少なくなる。この結果、樹脂層２１と樹脂層２３との間の光の伝達効率が高い。
更にまた、本実施形態においては、樹脂層２１の上部を除去することにより、樹脂層２１内に含まれる蛍光体粒子２２の一部を露出させ、これを樹脂層２１から脱落させることにより、樹脂層２１の上面２１ａに凹部２１ｃを形成している。この結果、凹部２１ｃを容易に形成することができる。
更にまた、本実施形態においては、切削加工の条件及び工具を適切に選択した上で、樹脂層２１の上面に対して切削加工を行うことにより、部分的に露出した蛍光体粒子２２の多くを強制的に脱落させている。これにより、壺状の凹部２１ｃが多数形成されて、上述のアンカー効果及び接触面積を増加させる効果を高めることができる。また、切削加工によってダメージを受けた蛍光体粒子２２を除去することができるため、ダメージを受けた蛍光体粒子２２に起因して半導体発光装置１の発光特性が低下することを抑制できる。
次に、第２の実施形態について説明する。
図３は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。
なお、図３においては、図示の便宜上、半導体層１０、ｎ側電極１１ｎ及びｐ側電極１１ｐ、封止部材１２、配線層１３ｎ及び１３ｐ、ｎ側ピラー１４ｎ、ｐ側ピラー１４ｐ、封止部材１５は、省略されている。後述する図４についても同様である。
図３に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置２においては、樹脂層２３内に、ナノ粒子２６及び微小粒子２７が設けられている。ナノ粒子２６は、光を選択的に反射又は散乱させるための粒子である。ナノ粒子２６は蛍光体粒子２２よりも小さく、その直径は例えば１００ｎｍ以下である。ナノ粒子２６は、例えば、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、チタン酸化物等の金属酸化物によって形成されている。
微小粒子２７は、樹脂層２３の上面に凹部を形成するための粒子である。微小粒子２７の直径は、半導体層１０の出射光の波長又は蛍光体粒子２２の発光光の波長と同程度であり、例えば、数百ｎｍ程度である。そして、本実施形態においては、樹脂層２３の上面２３ａに、凹部２３ｃ及び２３ｄが形成されている。凹部２３ｃの大きさはナノ粒子２６の大きさと同程度であり、凹部２３ｄの大きさは微小粒子２７の大きさと同程度である。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
本実施形態においては、ナノ粒子２６及び微小粒子２７を含む樹脂材料を塗布することにより、樹脂層２３を形成する。そして、樹脂層２３の厚さを調整するために、樹脂層２３の上面２３ａを切削すると、ナノ粒子２６の一部及び微小粒子２７の一部が樹脂層２３の上面２３ａにおいて露出し、これらが脱落することにより、上面２３ａに凹部２３ｃ及び２３ｄが形成される。本実施形態における上記以外の製造方法は、前述の第１の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、樹脂層２３内に微小粒子２７を含有させることにより、樹脂層２３の上面２３ａに凹部２３ｄを形成することができる。そして、微小粒子２７の大きさを選択することにより、凹部２３ｄの大きさを制御することができる。これにより、上面２３ａに任意の大きさの凹部を形成し、光の取出効率を高めることができる。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
なお、ナノ粒子２６は、樹脂層２１内にも分散させてもよい。この場合、樹脂層２３内におけるナノ粒子２６の個数密度は、樹脂層２１内におけるナノ粒子２６の個数密度よりも高いことが好ましい。
次に、第３の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。
図４に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置３においては、前述の第２の実施形態に係る半導体発光装置２（図３参照）の構成に加えて、樹脂層２３内に蛍光体粒子２８が設けられている。蛍光体粒子２８は、半導体層１０から出射される光を吸収して、半導体層１０の出射光とは異なり、蛍光体粒子２２の発光光とも異なる波長の光を発光する。例えば、蛍光体粒子２８が発光する光の波長は、半導体層１０の出射光の波長よりも長く、蛍光体粒子２２の発光光の波長よりも短い。
一例では、半導体層１０が青色の光を出射し、蛍光体粒子２２が赤色の光を発光し、蛍光体粒子２８が緑色の光を発光する。また、樹脂層２３の上面２３ａには、凹部２３ｃ及び２３ｄに加えて、蛍光体粒子２８が脱落した跡である凹部２３ｅが形成されている。本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
次に、第４の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する部分断面図である。
図５に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置４は、前述の第２の実施形態に係る半導体発光装置２（図３参照）と比較して、微小粒子２７が設けられていない点が異なっている。すなわち、樹脂層２３内には、ナノ粒子２６のみが含まれている。このため、樹脂層２３の上面２３ａには、凹部２３ｄは形成されていない。本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
次に、第５の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置５は、前述の第１の実施形態に係る半導体発光装置１（図１（ａ）参照）と比較して、上層の樹脂層２３の形状がレンズ状である点が異なっている。樹脂層２３の形状は、例えば、球形の一部である。
本実施形態においては、樹脂層２３の形状をレンズ状とすることにより、樹脂層２１の上面２１ａから出射した光を、直上方向に向けて集光することができる。これにより、半導体発光装置４の出射光の指向性が向上する。本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
次に、第６の実施形態について説明する。
図７は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図である。
図７に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置６は、前述の第１の実施形態に係る半導体発光装置１（図１（ａ）参照）と比較して、樹脂層２３が樹脂層２１の上面２１ａ及び側面２１ｄを覆うように設けられており、樹脂層２３の形状がレンズ状とされている点が異なっている。
本実施形態においては、樹脂層２３を、樹脂層２１の上面２１ａ及び側面２１ｄを覆うレンズ状に形成することにより、樹脂層２１の上面２１ａから出射した光に加えて、樹脂層２１の側面２１ｄから出射した光も、樹脂層２３を通過させて色度を調整し、且つ、直上方向に向けて集光することができる。これにより、半導体発光装置５の出射光の指向性が向上すると共に、光の取出効率が増加する。本実施形態における上記以外の構成、製造方法、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
なお、前述の各実施形態においては、樹脂層２１及び２３の上部を除去する手段として、切削加工を施す例を示したが、これには限定されない。例えば、ドライエッチングにより、樹脂層２１及び２３の上部を除去してもよい。この場合、例えば、エッチング後の樹脂層に対して、チャージアップしないように炭酸水をかけながら、ブラシ研削を施すことにより、露出した蛍光体粒子等を脱落させてもよい。
以上説明した実施形態によれば、信頼性が高い半導体発光装置及びその製造方法を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１、２、３、４、５、６：半導体発光装置、１０：半導体層、１０ａ：活性層、１０ｎ：ｎ形クラッド層、１０ｐ：ｐ形クラッド層、１１ｎ：ｎ側電極、１１ｐ：ｐ側電極、１２：封止部材、１３ｎ、１３ｐ：配線層、１４ｎ：ｎ側ピラー、１４ｐ：ｐ側ピラー、１５：封止部材、２１：樹脂層、２１ａ：上面、２１ｃ：凹部、２１ｄ：側面、２２：蛍光体粒子、２３：樹脂層、２３ａ：上面、２３ｂ：下面、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ：凹部、２６：ナノ粒子、２７：微小粒子、２８：蛍光体粒子

Claims (10)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層上に設けられた第１の樹脂層と、
    前記第１の樹脂層内に配置された第１の蛍光体粒子と、
    前記第１の樹脂層上に設けられ、前記第１の樹脂層に接した第２の樹脂層と、
    を備え、
    前記第１の樹脂層における前記第２の樹脂層に接触している面には凹部が形成されており、
    前記凹部内は、前記第２の樹脂層の一部によって充填されている半導体発光装置。
  2. 一部の前記凹部の最大直径は、開口部の直径よりも大きい請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 前記第２の樹脂層内に配置された第２の蛍光体粒子をさらに備えた請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第２の樹脂層内に配置された微小粒子をさらに備え、前記第２の樹脂層の上面には、その大きさが前記微小粒子の大きさと同程度の凹部が形成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  5. 前記凹部の大きさは、前記第１の蛍光体粒子の大きさと同程度である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  6. 前記凹部の大きさは、前記第１の蛍光体粒子の直径の分布の範囲内にある請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  7. 前記凹部は、前記第１の樹脂層の上面から前記第１の蛍光体粒子が除去されて形成された請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  8. 半導体層上に、複数の第１の蛍光体粒子が含まれる第１の樹脂層を形成する工程と、
    前記第１の樹脂層の上部を除去することにより、一部の前記第１の蛍光体粒子を前記第１の樹脂層から脱落させて凹部を形成する工程と、
    前記第１の樹脂層上に、その一部が前記凹部内に進入するように、第２の樹脂層を形成する工程と、
    を備えた半導体発光装置の製造方法。
  9. 前記第１の樹脂層の上部の除去は、前記第１の樹脂体の上面の研削によって行う請求項８記載の半導体発光装置の製造方法。
  10. 前記第２の樹脂層の上部を除去する工程をさらに備え、
    前記第２の樹脂層には微小粒子を含有させる請求項８または９に記載の半導体発光装置の製造方法。
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