JP2016062980A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に光を取り出せる半導体発光装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体発光装置は、底部と前記底部の周囲に設けられた第１側部とを有するパッケージと、支持基板と前記支持基板上に設けられた発光部とを有し、前記第１側部に対して離間して前記底部に配置されたチップと、前記底部の上の領域内で前記チップの上に重なる蛍光体層と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。

低コストのシリコン基板を支持基板に用いたＬＥＤチップは大型化に有利だが、シリコン基板の光吸収により、パッケージの光取り出し効率の低下が懸念される。

特開２０１２−１９５３２１号公報 特開２０１３−１９１８８３号公報

本発明の実施形態は、効率的に光を取り出せる半導体発光装置を提供する。

実施形態によれば、半導体発光装置は、底部と前記底部の周囲に設けられた第１側部とを有するパッケージと、支持基板と前記支持基板上に設けられた発光部とを有し、前記第１側部に対して離間して前記底部に配置されたチップと、前記底部の上の領域内で前記チップの上に重なる蛍光体層と、を備えている。

（ａ）は実施形態の半導体発光装置の模式断面図であり、（ｂ）は実施形態の半導体発光装置の模式平面図。 実施形態のチップの模式断面図。 実施形態の半導体発光装置の模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１（ａ）は、実施形態の半導体発光装置の模式断面図である。
図１（ｂ）は実施形態の半導体発光装置の模式平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図に対応する。なお、図１（ｂ）においては、図１（ａ）に示す透明樹脂６０の図示を省略している。

実施形態の半導体発光装置は、パッケージ１１と、パッケージ１１に収容されたチップ２０と、チップ２０の上に設けられた蛍光体層５０と、チップ２０を封止する透明樹脂６０と、を有する。

パッケージ１１は、ベース部１５と、第１側部（リフレクタ）１３と、第２側部（外周壁）１４とを有する。パッケージ１１は樹脂の成形体であり、ベース部１５、第２側部１４、および第１側部１３は一体に設けられている。

ベース部１５は、回路基板などに実装される裏面１５ａを含むプレート状に広がっている。第２側部１４および第１側部１３は、ベース部１５の裏面１５ａの反対側に突出している。第２側部１４は、パッケージ１１の側面を形成し、図１（ｂ）に示すように枠状に形成されている。第１側部１３は、第２側部１４の内側に設けられている。

第１側部１３の内側には、底部１２が設けられている。第１側部１３は、底部１２の周囲を連続して囲んでいる。第２側部１４の上面と第１側部１３の上面との間には段差が形成され、第１側部１３の上面と底部１２との間には段差が形成されている。底部１２は、裏面１５ａの反対側に形成されている。第１側部１３の上面の高さは底部１２の高さよりも高く、第２側部１４の上面の高さは第１側部１３の上面の高さよりも高い。ここでの高さは、パッケージ１１の裏面１５ａを基準にした高さを表す。

チップ２０は、支持基板４０と、支持基板４０上に設けられた発光部３０と、を有する。支持基板４０は、例えばシリコン基板である。シリコン基板を使うことで、コストを抑えて大型化が可能である。

図２は、チップ２０の模式断面図である。

発光部３０は半導体層７０を有する。半導体層７０は、例えば窒化ガリウムを含む。半導体層７０は、第１層７１と、第２層７２と、第１層７１と第２層７２との間に設けられた発光層（活性層）７３とを有する。

第１層７１は、例えば、下地バッファ層、ｎ型ＧａＮ層を含む。第２層７２は、例えば、ｐ型ＧａＮ層を含む。発光層７３は、青、紫、青紫、紫外光などを発光する材料を含む。発光層７３の発光ピーク波長は、例えば、４３０〜４７０ｎｍである。

第１層７１は粗面７１ａを有する。半導体層７０は、粗面７１ａの反対側に、第２層７２および発光層７３がない領域を有する。その領域には、第１電極（ｎ側電極）３４が第１層７１に接して設けられている。第２層７２の表面には、第２電極（ｐ側電極）３５が設けられている。

粗面７１ａの反対側には、金属層３２が設けられている。金属層３２は第１電極３４と接続されている。金属層３２と第２電極３５との間には、絶縁膜３３が設けられている。絶縁膜３３は、第１電極３４と発光層７３との間、第１電極３４と第２層７２との間、金属層３２と発光層７３との間、および金属層３２と第２層７２との間にも設けられている。

第２電極３５の一部３５ａは、半導体層７０の側面よりも外側に延び、絶縁膜３３上に設けられている。その第２電極３５の一部３５ａの上には、パッド３６が設けられている。

金属層３２は支持基板４０上に設けられている。支持基板４０上に金属層３２が設けられ、金属層３２上に絶縁膜３３を介して半導体層７０が設けられている。半導体層７０の第２層７２と絶縁膜３３との間に、第２電極３５が設けられている。

金属層３２の一部３２ａは、半導体層７０側に突出している。その金属層３２の一部３２ａと、第１層７１との間に、第１電極３４が設けられている。

半導体層７０は、図示しない成長基板上にエピタキシャル成長される。成長基板は、例えば、シリコン基板、サファイア基板、炭化ケイ素基板などである。成長基板上に、第１層７１、発光層７３、および第２層７２が順にエピタキシャル成長される。その後、図示しないマスクを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、第２層７２および発光層７３が選択的に除去される。

第２層７２および発光層７３が除去された部分には、第１電極（ｎ側電極）３４が設けられる。第２層７２の表面には、第２電極（ｐ側電極）３５が設けられる。

成長基板は、半導体層７０、電極３４、３５、絶縁膜３３、および金属層３２を含む発光部３０を、支持基板４０に貼り付けた後に除去される。金属層３２の裏面が支持基板４０に接合される。

発光部３０を支持基板４０に貼り付け、成長基板を半導体層７０から除去した後、第１層７１の表面が粗面化される。

図１に示すように、チップ２０の上には、蛍光体層５０が設けられている。

蛍光体層５０は、樹脂と、その樹脂中に分散された複数の粒子状の蛍光体を含む。蛍光体は、発光層７３の放射光により励起され、その放射光とは異なる波長の光を放射する。複数の蛍光体が分散された樹脂は、発光層７３の放射光および蛍光体の放射光に対して透明である。ここで「透明」とは、光の透過率が１００％であることに限らず、光の一部を吸収する場合も含む。蛍光体層５０の樹脂には、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。

蛍光体層５０は、パッケージ１１の底部１２の上の領域１００内でチップ２０の上に重なっている。底部１２の上の領域１００は、底部１２の端（第１側部１３と底部１２との境界）から、底部１２に対して垂直に上方に延びる延長線（仮想線）ａよりも内側の領域を表す。蛍光体層５０は、その延長線ａよりも外側の第１側部１３の上面の上に重なる領域には設けられていない。

すなわち、図１（ｂ）の平面視において、蛍光体層５０は、第１側部１３の上面の上に重なる領域にははみ出しておらず、第１側部１３によって枠状に囲まれた領域１００内に収まっている。その領域１００はチップ２０が配置された領域であって、蛍光体層５０は、チップ２０の上に重なる領域内に収まっている。なお、蛍光体層５０が支持基板４０の上面から少しはみ出し、その上面から続く支持基板４０の側面の一部を覆っている場合も、蛍光体層５０がチップ２０の上に重なる領域内に収まっているという表現に含む。蛍光体層５０は、発光部３０の上面および側面を覆っている。

支持基板４０の厚さは、発光部３０の厚さよりも厚い。蛍光体層５０の厚さは、チップ２０の厚さよりも薄い。

パッケージ１１は、第２側部１４で囲まれた第１凹部８１を有する。さらにその第１凹部８１の底に、第１側部１３で囲まれた第２凹部８２が形成され、その第２凹部８２の底にチップ２０が配置された底部１２が設けられている。パッケージ１１の第１凹部８１および第２凹部８２には透明樹脂６０が設けられている。

透明樹脂６０は、発光層７３の放射光および蛍光体の放射光に対して透明である。透明樹脂６０は、例えばシリコーン樹脂である。透明樹脂６０は、蛍光体粒子を含まない。透明樹脂６０には、光散乱材を分散させてもよい。

チップ２０が配置された領域よりも外側に広がって設けられた第１凹部８１内の透明樹脂６０にチップ２０および蛍光体から放射された光を導くことで、広い配光特性を実現できる。また、第２側部１４の上面と内壁とが鈍角を形成するように、第２側部１４の内壁が傾斜しており、その第２側部１４の内壁で光を反射させて、より広い範囲に光を取り出すことができる。

透明樹脂６０は、チップ２０および蛍光体層５０を覆っている。第１側部１３とチップ２０との間にも、透明樹脂６０が設けられている。

実施形態の半導体発光装置は、光がパッケージ外に放出される上面（空気との境界面）が平坦ないわゆるフラットパッケージ構造を有する。透明樹脂６０の上面６０ａは凸レンズ状に形成されずに、支持基板４０の面方向に沿っており、実質的にフラットな非レンズ面である。

透明樹脂６０は、例えば流動性をもつ状態（液状の状態）でパッケージ１１内に供給された後、硬化される。このときの硬化収縮により、透明樹脂６０の上面６０ａが多少くぼむ場合もある。このような意図的でない、製造上の形状変形も、透明樹脂６０の上面６０ａが実質的にフラットであるという概念に含む。

フラットパッケージ構造の半導体発光装置は、フラットな上面をコレットで吸引して回路基板などに実装する際の実装性を高める。また、フラットパッケージ構造の半導体発光装置は、高さを抑えて小型である。

図２に示す第２電極３５は、パッド３６にボンディングされた図示しないワイヤを介して、外部回路と電気的に接続される。第１電極３４は、金属層３２および導電性の支持基板（シリコン基板）４０を介して、外部回路と電気的に接続される。

第１電極３４と第２電極３５を通じて発光層７３に電流が供給され、発光層７３は発光する。発光層７３から放射された光は、蛍光体層５０に入射し、一部の光は蛍光体を励起し、発光層７３の光と、蛍光体の光との混合光として例えば白色光が得られる。

半導体層７０における蛍光体層５０との界面は粗面７１ａになっている。このため、半導体層７０から蛍光体層５０への光の入射効率が向上する。

チップ２０は、パッケージ１１における第１側部１３で囲まれた底部１２に、ボンディングペーストを介してマウントされる。

図１（ｂ）に示すように、底部１２の第１幅Ｗbot１は、チップ２０の第１幅Ｗchip１よりもわずかに大きい。底部１２の第１幅Ｗbot１とチップ２０の第１幅Ｗchip１は同じ方向の幅を表す。底部１２の第１幅Ｗbot１に対して直交する方向の第２幅Ｗbot２は、チップ２０の第１幅Ｗchip１に対して直交する方向の第２幅Ｗchip２よりもわずかに大きい。底部１２の第２幅Ｗbot２とチップ２０の第２幅Ｗchip２は同じ方向の幅を表す。したがって、第１側部１３に干渉することなくチップ２０を底部１２にマウントすることができる。第１側部１３の内壁と、チップ２０の側部との間にはギャップが形成される。

第１側部１３は、チップ２０の側部に対向しつつ、チップ２０の側部の周囲を連続して囲んでいる。チップ２０の側部と、第１側部１３との間の距離（上記ギャップの大きさ）は、チップ２０の厚さよりも小さい。チップ２０の側部は、支持基板４０の側部を含む。

例えば、チップを封止する透明樹脂が凸レンズ形状に形成されていると、透明樹脂と空気との界面での反射を抑えて、外部（空気）への光取り出し効率を高めることができる。

これに対して、フラットパッケージ構造では、透明樹脂６０の上面６０ａが実質的にフラットであるため、凸レンズ構造に比べて、透明樹脂６０の上面６０ａと空気との界面で光が反射してチップ２０側に戻ってきやすい。さらに、支持基板４０のシリコン基板は光を吸収する。

第１側部１３を含むパッケージ１１は、発光層７３の放射光および蛍光体の放射光に対して反射性を有する。例えば、パッケージ１１は、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂を含む。

そのような光反射性をもつ第１側部１３がチップ２０の側部に近接していることで、チップ２０の側部に向かった戻り光は第１側部１３で遮られて、チップ２０の側部に入射し難くなる。この結果、支持基板（シリコン基板）４０での光の吸収損失を抑えて、外部（空気）への光取り出し効率を高めることができる。

第１側部１３とチップ２０とのギャップが小さいほど、チップ２０の側部への光入射を低減することができる。そのギャップは、パッケージ１１内へのチップマウントの作業性を損ねない範囲内で適切に設定される。

また、第１側部１３の上面の高さは、戻り光のチップ側部への入射の抑制、およびチップマウントの作業性を考慮して、チップ２０の厚さの１／２以上で２倍以下が望ましい。例えば、図１に示す例では、第１側部１３の上面の高さは、チップ２０の厚さと同程度である。

例えば、蛍光体層がパッケージ内全体に設けられた構造においては、蛍光体がチップの側面よりも外側の領域に分散されているため、シリコン基板の側面に入射する蛍光体の放射光が多くなる。

これに対して、実施形態によれば、蛍光体層５０をパッケージ１１の底部１２の上の領域内でチップ２０の上に重なる範囲内に制限しているため、支持基板４０の側部に向かう蛍光体の放射光を低減できる。したがって、支持基板４０での光の吸収損失を抑えて、取り出し効率を高めることができる。

蛍光体からチップ２０の上面側に向かった光は、発光部３０の電極で上方に反射させ、外部に取り出すことができる。

例えば、図２に示す発光部３０の第１電極（ｎ側電極）３４はアルミニウム（Ａｌ）膜を含み、第２電極（ｐ側電極）３５は銀（Ａｇ）膜を含む。アルミニウムおよび銀は、いずれも発光層７３の放射する光および蛍光体が放射する光に対する反射率が高い。

また、図１に示す実施形態によれば、蛍光体層５０はチップ２０上に薄膜として設けられており、蛍光体層５０の厚さはチップ２０の厚さよりも薄い。したがって、蛍光体はチップ２０の上面に近い領域に制限され、蛍光体の放射光が支持基板４０の側面に向かいにくい。

図３（ａ）は、他の実施形態の半導体発光装置の模式断面図である。

図３（ａ）の実施形態によれば、蛍光体層５０は、パッケージ１１の底部１２の上の領域内において、チップ２０の上面からパッケージ１１の上面まで設けられている。蛍光体層５０の上面５０ａは、透明樹脂６０で覆われずに、パッケージ外部に露出している。蛍光体層５０の上面５０ａと透明樹脂６０の上面６０ａは連続し、実質的にフラットである。

図３（ａ）の実施形態においても、蛍光体層５０をパッケージ１１の底部１２の上の領域内でチップ２０の上に重なる範囲内に制限しているため、支持基板４０の側部に向かう蛍光体の放射光を低減できる。

図３（ｂ）は、さらに他の実施形態の半導体発光装置の模式断面図である。

図３（ｂ）の実施形態によれば、蛍光体層５０を、パッケージ１１の底部１２の上の領域内でチップ２０の上に重なる範囲内に制限しつつ、パッケージ１１の上面側にチップ２０から離して設けている。蛍光体層５０の上面５０ａは、透明樹脂６０で覆われずに、パッケージ外部に露出している。蛍光体層５０の上面５０ａと透明樹脂６０の上面６０ａは連続し、実質的にフラットである。

蛍光体層５０とチップ２０との間には、透明樹脂６０の一部が設けれている。例えば、蛍光体層５０とチップ２０との間の透明樹脂６０として、蛍光体層５０の樹脂の屈折率よりも小さい屈折率をもつ樹脂を選択することで、透明樹脂６０と蛍光体層５０との界面での発光部３０の光の反射を抑えることが可能となる。

すなわち、発光部３０の光（例えば青色光）が、蛍光体層５０に入射せず、透明樹脂６０を横方向に広がって外部に取り出されることによる色割れを抑えることが可能となる。

パッケージ１１の第１側部１３の上面と第２側部１４の上面との間に段差を形成せずに、第１側部１３の上面を第２側部１４の上面と同じ高さまで上方に延在させたパッケージ構造にしてもよい。この場合、パッケージサイズの小型化が可能となる。

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とその均等の範囲に含まれる。

１１…パッケージ、１２…底部、１３…第１側部、２０…チップ、３０…発光部、４０…支持基板、５０…蛍光体層、６０…透明樹脂、７０…半導体層、７３…発光層、１００…パッケージの底部の上の領域

Claims (9)

1. 底部と、前記底部の周囲に設けられた第１側部と、を有するパッケージと、
   支持基板と、前記支持基板上に設けられた発光部とを有し、前記第１側部に対して離間して前記底部に配置されたチップと、
   前記底部の上の領域内で前記チップの上に重なる蛍光体層と、
   を備えた半導体発光装置。
2. 前記チップを覆い、前記支持基板の面方向に沿った上面をもつ透明樹脂をさらに備えた請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記チップの側部と、前記パッケージの前記第１側部との間の距離は、前記チップの厚さよりも小さい請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 前記発光部は、
   発光層を含む半導体層と、
   前記半導体層に設けられた電極と、
   を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
5. 前記電極は、銀またはアルミニウムを含む請求項４記載の半導体発光装置。
6. 前記蛍光体層の厚さは、前記チップの厚さよりも薄い請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
7. 前記蛍光体層の上面は、前記透明樹脂から露出している請求項２記載の半導体発光装置。
8. 前記透明樹脂の一部が、前記チップと前記蛍光体層との間に設けられている請求項２記載の半導体発光装置。
9. 前記支持基板は、シリコン基板である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光装置。

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