JP2015179777A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、光取り出し効率の向上を可能とする半導体発光装置を提供することである。
【解決手段】設置部上に設けられた発光素子と、前記発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂と、前記発光素子と前記蛍光体含有樹脂との間に設けられ、前記蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、前記蛍光体含有樹脂上に設けられた球状のレンズと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等の半導体発光素子を搭載した半導体発光装置は、液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる。
半導体発光装置は、例えば、半導体発光素子がリードフレームに固定され樹脂等で封止される、「表面実装型」と呼ばれる構造を有する。その際、半導体発光装置は、半導体発光素子から生じた光がリードフレームや半導体発光素子を構成する基板等に当たり、光吸収（損失）が発生する場合がある。半導体発光装置は、光取り出し効率等の点から半導体発光装置内での光吸収が少ないことが望ましい。
特開２０１０−２３２２０３号公報 特開２０１２−９４７０号公報
本発明が解決しようとする課題は、光取り出し効率の向上を可能とする半導体発光装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、設置部上に設けられた発光素子と、前記発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂と、前記発光素子と前記蛍光体含有樹脂との間に設けられ、前記蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、前記蛍光体含有樹脂上に設けられた球状のレンズと、を有する。
第１の実施形態に係る半導体発光装置１の断面図。 第１の実施形態に係る半導体発光装置１のＡ部における、半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２の断面図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、本実施形態は本発明を限定するものではない。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体発光装置１の構造について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態に係る半導体発光装置１の断面図、図２は第１の実施形態に係る半導体発光装置１のＡ部における、半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２の断面図を示している。
半導体発光装置１は半導体発光素子（発光素子）１０、リードフレーム（設置部）１１ａ、リードフレーム（設置部）１１ｂ、フィラ含有樹脂（光反射材）１２、ツェナーダイオード（保護素子）１３、封止樹脂１４、蛍光体含有樹脂１５、透明樹脂１６、レンズ１７及びワイヤ３０を有する。また、半導体発光素子１０はシリコン基板４０、金属層（光反射材）４１、Ｐ型半導体層４２、発光層４３、及びＮ型半導体層４４を有する。
半導体発光素子１０の構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板４０上に光反射層となる金属層４１が設けられる。金属層４１上には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるＰ型半導体層４２とＮ型半導体層４４が順に設けられ、Ｐ型半導体層４２とＮ型半導体層４４との間には発光層４３が形成される。なお、Ｐ型半導体層４２とＮ型半導体層４４の形成位置は逆でもよい。また、本実施形態の半導体発光素子１０ではシリコン基板４０を用いたが、これに限らず、他の半導体基板を用いても実施は可能である。なお、半導体発光装置１の光取り出し効率を上昇させる目的で、半導体発光素子１０の表面は粗面化されていても良い（図示せず）。
リードフレーム１１ａ上（リードフレーム１１ａの表面）に、はんだ（図示せず）等を介して半導体発光素子１０が設置される。その際、半導体発光素子１０のシリコン基板４０側がリードフレーム１１ａ上に設置される。すなわち、本実施形態ではＮ型半導体層４４が半導体発光素子１０の上面となる。
リードフレーム１１ｂ上には、ツェナーダイオード１３がはんだ等を介して設置される。ツェナーダイオード１３は、それぞれシリコンから成るＰ型半導体層５０とＮ型半導体層５１とで構成される。また、ツェナーダイオード１３はＮ型半導体層５１が上面となるようにリードフレーム１１ｂ上に設置される。なお、リードフレーム１１ａ及びリードフレーム１１ｂは、例えば、銅等の金属材料で構成され、後述するフィラ含有樹脂１２との密着性や反射率を上げるために銀（Ａｇ）等がメッキされる場合がある。そして、ツェナーダイオード１３は半導体発光素子１０と逆並列接続される。なお、半導体発光素子１０とツェナーダイオード１３との接続にはワイヤ３０には金（Ａｕ）等が用いられるが、銀等でも実施は可能である。
フィラ含有樹脂１２は、半導体発光素子１０のシリコン基板４０の側面を覆い、且つ半導体発光素子１０の上面（Ｎ型半導体層４４）が露出するように設けられる。この場合、フィラ含有樹脂１２は金属層４１の側面、またはＮ型半導体層４４の側面まで覆うように設けられていてもよい。すなわち、フィラ含有樹脂１２は半導体発光素子１０の側面全体を覆っていてもよい。半導体発光素子１０の側面からの光取り出し効率を考慮すると、Ｎ型半導体層４４、発光層４３、及びＰ型半導体層４２の側面は、フィラ含有樹脂１２に覆われずに、露出していることが望ましい。
また、フィラ含有樹脂１２はツェナーダイオード１３を覆うようにリードフレーム１１ａ及びリードフレーム１１ｂ上に設けられる。その際、フィラ含有樹脂１２は表面張力を利用してリードフレーム１１ａまたはリードフレーム１１ｂに設けられ、フィラ含有樹脂１２の上面６０は曲線形状を有する。例えば、フィラ含有樹脂１２の上面６０は、凹型の放物曲線形状を有し、凹部の底面部には半導体発光素子１０が位置する。
フィラ含有樹脂１２は、シリコンを含有する高分子化合物である透明なシリコーンと、光反射材となるチタニア（ＴｉＯ２）の微粒子（フィラ）との混合物である。なお、フィラは光反射性を有していれば良く、チタニア以外でも実施は可能である。また、チタニア含有量は、例えば、１０ｗ％〜７０ｗ％である。また、本実施形態ではフィラ含有樹脂１２はフィラを含む樹脂を用いたが、光を反射する材料を適宜適用することが可能であり、非導電性の金属酸化物等化合物材料等でもよい。
透明樹脂１６が半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２上に設けられる。例えば、図１に示すように、蛍光体含有樹脂１５はフィラ含有樹脂１２の凹部の一部を埋め込むように設けられる。透明樹脂１６には、例えばシリコーンが用いられるが、ガラスなどの無機材料を用いても実施は可能である。
蛍光体含有樹脂１５が透明樹脂１６上に設けられる。例えば、図１に示すように、蛍光体含有樹脂１５はフィラ含有樹脂１２の凹部をさらに埋め込むように設けられる。蛍光体含有樹脂１５の上面を露出させながら、リードフレーム１１ａ、リードフレーム１１ｂ、及びフィラ含有樹脂１２は封止樹脂１４によって封止される。なお、後述する半導体発光装置１の光取り出し効率を上昇させる目的で、蛍光体含有樹脂１５の表面は粗面化されていても良い（図示せず）。
そして、蛍光体含有樹脂１５上にはレンズ１７が設けられる。レンズ１７は半導体発光素子１０から蛍光体含有樹脂１５に向かう方向において凸の球形状を有する。なお、図１では、レンズ１７は真円形状を有しているが、楕円形上でも実施は可能である。
なお、フィラ含有樹脂１２、蛍光体含有樹脂１５、透明樹脂１６及びレンズ１７の母体となる樹脂には、例えば、フェニル系シリコーン樹脂、ジメチル系シリコーン樹脂、またはアクリル系樹脂等が用いられる。
半導体発光装置１は以上のような構造を有する。
ここで、半導体発光素子１０の形成方法について説明する。Ｐ型半導体層４２及びＮ型半導体層４４は成長用基板（例えば、シリコン基板。図示せず。）上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によりエピタキシャル成長させて形成される。Ｐ型半導体層４２及びＮ型半導体層４４は、スパッタ等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等でも形成は可能である。そして、金属層４１がスパッタ等でＰ型半導体層４２上に形成され、シリコン基板４０が金属層４１上に貼り付けられ、ウエットエッチング等により成長用基板が除去される。その後Ｎ型半導体層４４、発光層４３、Ｐ型半導体層４２の一部がエッチングにより除去され、金属層４１の表面の一部が露出する。そして、Ｎ型半導体層４４上に第１の電極が、露出した金属層４１上に第２の電極が形成される。以上の工程により、半導体発光素子１０は形成される。
次に、半導体発光装置１の動作について説明する。半導体発光素子１０に順方向に電圧を印加した際、発光層４３から光が放出される。本実施形態の半導体発光装置１の場合、Ｐ型半導体層４２と電気的に接続されているリードフレーム１１ａを陽極、Ｎ型半導体層４４と電気的に接続されているリードフレーム１１ｂを陰極として正電圧を印加した際、半導体発光素子１０の発光層４３は発光する。半導体発光素子１０からは、例えば、青色光が発生する。
発光層４３から放出された光Ｌの一部は下方向、すなわちシリコン基板４０の方向へ進むが、金属層４１によって反射されるため、シリコン基板４０で吸収されず、半導体発光素子１０の上面から取り出される。
半導体発光装置１の外部に向かう光は、そのままレンズ１７を介して外部（空気）へ放出、蛍光体含有樹脂１５内部で例えば黄色光への波長変換、蛍光体含有樹脂１５内部における蛍光体での散乱（例えば、黄色光）、あるいは蛍光体含有樹脂１５と外部との界面における反射等が生じる。波長変換されて３６０°に広がる光や、蛍光体により散乱された光、及び蛍光体含有樹脂１５界面で反射された光の一部は、リードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む。リードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む光Ｌは、フィラ含有樹脂上面６０で反射され、半導体発光装置１の外部方向へ再度進み、レンズ１７を介して照射される。
以上のように、半導体発光素子１０から発生した光は、半導体発光装置１外部へと放出される。
なお、ツェナーダイオード１３は、半導体発光素子１０と逆方向並列に接続されおり、半導体発光装置１にサージ電流や静電気が流れ込んだ際に、半導体発光装置１が破壊されることを防ぐ役割を有する。
半導体発光装置１の効果について説明する。本実施形態に係る半導体発光装置１の場合、前述したように、蛍光体含有樹脂１５内部での反射によりリードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む光は、フィラ含有樹脂１２内のフィラで再反射されて半導体発光装置１ａの外部へ放出される。従って、光がシリコン基板４０やツェナーダイオード１３に吸収されることを抑制することが可能となる。すなわち、フィラ含有樹脂１２が設けられていない半導体発光装置と比較した際、半導体発光装置１は光取り出し効率を高くすることができる。なお、フィラ含有樹脂上面６０近傍のフィラ含有濃度が、リードフレーム１１ａ側のフィラ含有樹脂１２近傍のフィラ含有濃度よりも大きい場合、上記効果は顕著となる。
また、フィラ含有樹脂１２は凹型の放物曲線形状を有するため、光を半導体発光素子１０の上部へと効率良く取り出すことも可能となる。すなわち、半導体発光装置１の光取り出し面における均一性を向上させる効果も有する。
また、半導体と樹脂との密着性よりも、樹脂同士の密着性の方が高い。よって、フィラ含有樹脂１２を設けることにより、実質的に半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５との密着性を向上させることが可能となる。その結果、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５の剥離による輝度低下や、半導体発光装置１の信頼性低下を抑制することが可能となる。
フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりも線膨張係数が小さくなるようにそれぞれの材料を用いた場合、蛍光体含有樹脂１５が半導体発光素子１０を圧縮する方向に力が働く。その結果、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５の剥離による輝度低下や、半導体発光装置１の信頼性低下を抑制することが可能となる。
また、銀の光反射率は約９０％、金の光反射率は約６０％である。すなわち、銀の光反射率は金の光反射率よりも高い。よって、ワイヤ３０に銀を用いた場合、半導体発光装置１の光取り出し効率を更に向上させることが可能となる。
また、フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりも弾性率が低くなるようにそれぞれの材料を用いた場合、外部応力による割れを防ぐことができ、半導体発光装置１の周辺部における機械的強度を向上させることが可能となる。
また、フィラ含有樹脂１２は無機材料であるチタニアを含んでいるため、蛍光体含有樹脂１５よりも熱伝導率が大きくなる。よって、半導体発光装置１の放熱性を向上させることが可能となる。
また、フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりもチクソ性が大きくなるようにそれぞれの材料を用いた場合、フィラ含有樹脂１２を形成時、フィラ含有樹脂１２の形状は安定させることが可能となる。そのため、フィラ含有樹脂１２を厚く均一に形成できるため、蛍光体含有樹脂１５を相対的に薄く、且つ均一に形成でき、半導体発光装置１の輝度を安定させることができる。
また、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５との間に透明樹脂１６を設けているため、半導体発光装置１は、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５間の距離を大きくすることとなる。よって、半導体発光素子１０に戻る蛍光体含有樹脂１５内で散乱または反射される光の量を少なくすることが可能となる。従って、半導体発光素子１０で吸収される光を減少することが可能となり、光取り出し効率を上昇に寄与する。また、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５間の距離を大きくしているため、半導体発光素子１０から出射される光が蛍光体含有樹脂１５表面で集中することなく広がり、分散され、蛍光体での光吸収による発熱を低減することが可能となる。
また、半導体発光素子１０の近傍に蛍光体含有樹脂１５が形成されている場合、半導体発光素子１０近傍の蛍光体に青色光が集中的に当たってしまい、外部に取り出される光に色割れが生じる可能性がある。しかし、半導体発光装置１の場合、半導体発光素子１０の直上に透明樹脂１６が設けられているため、半導体発光素子１０から生じた青色光は蛍光体含有樹脂１５に均一に当たる。従って、半導体発光装置１の外部に取り出される光の色割れを抑制することが可能となる。
さらにまた、本実施形態の半導体発光装置１の場合、レンズ１７を設けることにより、蛍光体含有樹脂１５の表面における光の乱反射を抑制することが可能である。蛍光体含有樹脂１５の表面における光の乱反射を抑制することにより、半導体発光装置１の光取り出し効率を上昇させることが可能となる。
ここで、半導体発光装置１において、レンズ１７から半導体発光素子１０に向かうにつれて、屈折率が大きくなる構造の効果について説明する。すなわち、蛍光体含有樹脂１５の屈折率はレンズ１７の屈折率よりも大きく、透明樹脂１６の屈折率は蛍光体含有樹脂１５の屈折率よりも大きい。屈折率の小さい物質から屈折率の大きい物質へ光が進む場合、その界面において光は全反射しやすい。よって、前述したように蛍光体含有樹脂１５から半導体発光素子１０に戻る光が、各界面において全反射されやすくなり、光取り出し効率がより上昇する。なお、透明樹脂１６、蛍光体含有樹脂１５及びレンズ１７の屈折率は、それぞれを構成するシリコーン樹脂内への添加剤量を調整することにより変化させることができる。また、光を空気中に照射する観点では、レンズ１７と空気との屈折率の差は小さい方が好ましいため、空気の屈折率（＝１）により近づける意味でレンズ１７の屈折率を小さくするメリットも有する。
また、蛍光体含有樹脂１５の屈折率をレンズ１７の屈折率よりも大きくし、透明樹脂１６の屈折率は蛍光体含有樹脂１５の屈折率よりも小さくしてもよい。その場合、透明樹脂１６と蛍光体含有樹脂１５との界面における光反射が抑制できる。すなわち、半導体発光素子１０へ戻る光を抑制できる。
なお、蛍光体含有樹脂１５内の蛍光体含有量によって最適なレンズ高さが異なるため、球状のレンズ１７の半径の大きさを変えることにより、半導体発光装置１の光取り出し効率を変化させることも可能である。この際、蛍光体含有樹脂１５内の蛍光体含有量が多い場合は、レンズ１７における円の中心を蛍光体含有樹脂１５にするのが望ましい。一方、蛍光体含有樹脂１５内の蛍光体含有量が少ない場合は、レンズ１７における円の中心を半導体発光素子１０の表面、または透明樹脂１６にするのが望ましい。
前述したように、レンズ１７の材料として、シリコーン以外にガラスなどの無機材料でも実施は可能であるが、半導体発光装置１の放熱性の観点からは無機材料の方が望ましい。
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同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…半導体発光装置、１０…半導体発光素子（発光素子）、１１ａ，１１ｂ…リードフレーム（設置部）、１２…フィラ含有樹脂（光反射材）、１３…ツェナーダイオード（保護素子）、１４…封止樹脂、１５…蛍光体含有樹脂、１６…透明樹脂、１７…レンズ、３０…ワイヤ、４０…シリコン基板、４１…金属層、４２，５０…Ｐ型半導体層、４３…発光層、４４，５１…Ｎ型半導体層、６０…フィラ含有樹脂上面

Claims (7)

  1. 設置部上に設けられた発光素子と、
    前記発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂と、
    前記発光素子と前記蛍光体含有樹脂との間に設けられ、前記蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、
    前記蛍光体含有樹脂上に設けられた球状のレンズと、
    を有する半導体発光装置。
  2. 前記発光素子は、上面及び側面が光反射材に覆われたシリコン基板と、前記シリコン基板上に前記光反射材を介して設けられた発光部とを有する請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記光反射材は、前記シリコン基板の前記上面を覆う金属層と、前記シリコン基板の前記側面を覆う樹脂層と、である請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記樹脂層は光反射性を有するフィラを含有する請求項３に記載の半導体発光装置。
  5. 前記透明樹脂の屈折率は前記蛍光体含有樹脂の屈折率よりも大きく、前記発光素子の屈折率は前記透明樹脂の屈折率よりも大きい請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体発光装置。
  6. 前記透明樹脂の屈折率は、前記蛍光体含有樹脂及び前記透明樹脂の屈折率よりも大きい請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体発光装置。
  7. 前記レンズの表面から前記蛍光体含有樹脂の距離が、前記蛍光体含有樹脂の蛍光体含有濃度が上がるにつれて大きくなる請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体発光装置。
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