JP3871668B2

JP3871668B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP3871668B2
Application number: JP2003301289A
Authority: JP
Inventors: 原秀人菅; 川千里古
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: JP2004048040A

Description

本発明は半導体発光装置に関し、特にＬＥＤ（light emitting diode：発光ダイオード）などの半導体発光素子と複数種類の蛍光体との組み合わせにより発光する半導体発光装置に関する。

半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた半導体発光装置は、その組み合わせや種類を選択することにより発光色を自由に変化させることができるため、新しい光源として注目されている。すなわち、半導体発光素子から放出される１次光を蛍光体により波長変換して２次光として取り出すことにより、得られる波長の選択の自由度を大幅に拡げることができる。

しかし、本発明者の試作検討の結果、半導体発光素子と複数の種類の蛍光体とを組み合わせた従来の半導体発光装置では以下に詳述する問題があることが分かった。

図９は、従来の半導体発光装置の概略構成を表す断面図である。すなわち、同図の半導体発光装置は、リードフレーム１０２に形成された凹状のカップ部の底面にＬＥＤチップ１０１がマウントされ、ワイア１０６、１０７により配線され、蛍光体１１１〜１１３が塗布されている。ここで、ＬＥＤ１０１は、紫外光領域で発光するものであり、蛍光体は、その紫外光を吸収して赤色の光を放出する、赤色（Ｒ）蛍光体１１１、緑色の光を放出する緑色（Ｇ）蛍光体１１２、青色の光を放出する青色（Ｂ）蛍光体の混合物である。図９に示した半導体発光装置は、このように、ＬＥＤ１０１からの紫外光を波長変換してＲＧＢからなる白色光を得ることができる。

しかし、本発明者が図９に示したような半導体発光装置を試作・評価したところ、混合斑すなわち発光の「むら」を引き起こしてしまうという問題があることが分かった。具体的には、例えば、図９の半導体発光装置を光の取り出し方向から眺めた場合に、発光部の中央すなわちＬＥＤ１０１の垂直上方付近と、それよりも端の周辺部分とでは、発光色が異なるという問題が発見された。

本発明者はさらに詳細な検討を行った結果、このような発光の「むら」は、ＲＧＢそれぞれの蛍光体の比重や粒径の違いによるものであり、その塗布および溶解させた樹脂の硬化の工程で発生することを見出した。さらに、この現象にはＬＥＤチップ１０１の存在による蛍光体塗布面の段差が大きく影響を及ぼしていることを知得するに至った。

すなわち、図９から分かるように、ＬＥＤ１０１の上部に塗布される蛍光体層と、ＬＥＤ１０１の周囲のカップ部に塗布される蛍光体層とでは、その塗布厚が大幅に異なる。ＬＥＤ１０１の厚みは、通常１００〜２００μｍであり、その上に塗布される蛍光体の塗布厚は、数１０μｍである場合が多い。つまり、ＬＥＤの上部と、ＬＥＤの周囲のカップ部では、蛍光体の塗布厚が数倍も異なる。

塗布厚が異なると、塗布した蛍光体と溶媒との混合物が乾燥、硬化するまでの時間が異なり、蛍光体の比重の差などによってＲＧＢの蛍光体粒子の偏析の状態が異なる。ここで、蛍光体の粒径と比重について代表的な値を挙げると、赤色（Ｒ）蛍光体の粒径は約６μｍ、比重は約６．４である。また、緑色（Ｇ）蛍光体の粒径は約３μｍ、比重は約３．８であり、青色（Ｂ）蛍光体の粒径は約４μｍ、比重は約４．２である。このように粒径や比重が異なる複数の蛍光体粒子を溶媒に混合して塗布した場合には、塗布厚によって、蛍光体粒子の偏析の状態が異なる。

例えば、塗布厚が厚い部分においては、比重の大きい蛍光体粒子がより顕著に下方に偏析する。その結果として、ＬＥＤ１０１の上部とその周囲とでは、蛍光体の混合状態が異なり、発光色のバランスが異なるために、発光の「むら」が生ずることとなる。

図９をみても、ＬＥＤチップをマウントしたことによる段差の存在により、ＬＥＤチップ上部と周辺で蛍光体粒子の比重の違いにより混合比が異なってしまい、その結果として、ＬＥＤからの発光を変換した直上方向の光と横方向に向かい反射版で反射した光とでは、その発光色に違いがあることは容易に見てとれる。

本発明は、かかる独自の課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、蛍光体の塗布厚を均一にすることにより発光の「むら」を解消することができる半導体発光装置を提供することにある。

本発明の半導体発光装置は、実装部材と、前記実装部材にマウントされた発光素子と、前記発光素子から放出される１次光を吸収して前記１次光とは異なる第１の波長の光を放出する第１の蛍光体と、前記発光素子から放出される１次光を吸収して前記１次光とは異なる第２の波長の光を放出する第２の蛍光体と、を備えた半導体発光装置であって、前記第１の蛍光体は、前記発光素子の光放出面の第１の領域の上に設けられ、前記第２の蛍光体は、前記発光素子の光放出面の前記第１の領域とは異なる第２の領域の上に設けられ、前記第１の領域と前記第２の領域は、遮光板によって分割されていることを特徴とする。

本発明によれば、リードフレームなどの実装部材に対して、ＬＥＤなどの発光素子を埋め込まれた形でマウントすることにより、蛍光体の塗布面を実質的に平坦な面とし、この平坦面に蛍光体を塗布することにより、塗布厚を均一にし、蛍光体粒子の比重や粒径の違いにより発生する偏析の状態を均一にすることによって、発光の「むら」を解消することができる。

また、本発明によれば、半導体発光装置の色純度を高めることができ、さらに、色純度の指向性も向上させることができる。

さらに、本発明によれば、単一の蛍光体を用いる場合にも、偏析状態を均一にすることにより、２次光の強度むらを解消して均一な発光を得ることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を表す概略断面図である。同図において、１１はＬＥＤチップであり、１２はそのＬＥＤをマウントするリードフレームである。１３は赤色（Ｒ）蛍光体、１４は緑色（Ｇ）蛍光体、１５は青色（Ｂ）蛍光体であり、ＬＥＤ１１からの光を吸収してそれぞれの波長帯の２次光を放出するものである。１６，１７はＬＥＤに駆動電流を供給するためのワイアであり、それぞれＬＥＤの電極とリードフレームのリード部にボンディングされている。

本発明の半導体発光装置が従来例と異なる点は、リードフレーム１２に凹部１２Ａが設けられ、ＬＥＤチップ１１がこの凹部１２Ａの内部に埋め込む形でマウントされている点にある。本発明によれば、ＬＥＤ１１による段差が発生しないため、ＬＥＤの周囲の蛍光体の塗布厚を一定にすることができる。その結果として、蛍光体の偏析の状態を均一にすることができ、図９に関して前述したような発光の「むら」を解消することができる。

また、本実施形態においては、ＲＧＢ蛍光体のそれぞれを層状に形成している。すなわち、第１層としてＲ蛍光体１３からなる層が設けられ、第２層としてＧ蛍光体１４からなる層が設けられ、第３層としてＢ蛍光体１５からなる層が設けられている。本発明によれば、ＬＥＤ１１の周囲において、蛍光体の塗布厚を均一にすることができるので、このような３層構造も確実且つ容易に実現することができる。

図１の半導体発光装置の製造方法は以下の如くである。すなわち、ＬＥＤチップ１１をフレーム１２にマウントした後に、Ｒ蛍光体１３を含んだ樹脂を塗布して硬化させ、次にＧ蛍光体１４を含んだ樹脂を塗布して硬化させ、次にＢ蛍光体１５を含んだ樹脂を塗布して硬化させて作成する。ここで、塗布する蛍光体の量や順序については、それぞれの蛍光体の変換効率や塗布領域内部での散乱を考慮して適宜決定することができる。

ここで、ＬＥＤ１１の平面形状は通常、一辺が４００〜５００μｍの正方形状であるが、リードフレームの加工精度や、ＬＥＤ１１をマウントする際の誤差などを考慮すると、リードフレーム１２の凹部１２Ａの開口寸法は、ＬＥＤ１１の寸法の一割増し、４０〜５０μｍ程度大きめに形成することが望ましい。この場合には、ＬＥＤの両側に隙間が生ずるが、この程度の寸法であれば、塗布むらによる悪影響が生ずる心配はない。

かくして得られた半導体発光装置に、ワイア１６、１７を介してバイアス電流を供給したところ、ＬＥＤの上方からみて色斑の無い均一な白色発光が得られた。また本半導体発光装置では指向角に対する色純度も良く、この点でも従来構造の装置よりも優れていることが分かった。

図２は、図１の半導体発光装置に搭載されるＬＥＤの構成を例示する概略断面図である。図中３０１はサファイア基板、３０２はｎ型ＧａＮコンタクト層、３０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３０４はＩｎＧａＮ活性層、３０５はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３０６はｐ型ＧａＮコンタクト層、３０７はｐ側電極、３０８はｎ側電極である。図２のＬＥＤは、青色から紫外線領域の波長帯において極めて高い強度の発光を得ることができるので、蛍光体と組み合わせて用いるのに好適である。

なお、図示したＬＥＤは、ｎ側電極３０８の形成面とｐ側電極３０７の形成面との間に段差部を有するが、この段差の高さはせいぜい数μｍ以下に過ぎず、蛍光体の偏析状態に影響を与えることはない。

本発明において用いることができる発光素子は、蛍光体を励起するのに十分な特性（発光波長、発光強度など）を有すれば良く、図２のＬＥＤに限られるものではない。積層構造および材料を適宜種々変形して作成可能である。例えば、基板３０１はサファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ₄、ＬａＳｒＧａＯ₄、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃などの絶縁性基板や、ＳｉＣＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ₄基板の場合には、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃基板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。

また、窒化物半導体として用いることができる材料しては、Ｂ_xＩｎ_yＡｌ_zＧａ_(1-x-y-z)Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）なる化学式で表されるあらゆる組成のIII −Ｖ族化合物半導体を挙げることができ、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものでも良い。さらに、これらの窒化物半導体以外のIII −Ｖ族化合物半導体、II−ＶI 族化合物半導体、或いはＳｉＣなども同様に用いることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。同図においては、図１と同様の部分については同一の符号を付した。本実施形態の半導体発光装置は、ＲＧＢ蛍光体１３〜１５を樹脂に一緒に混合して塗布、硬化させた点で第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態においては、蛍光体１３〜１５が、ランダムに混合されている。

図９に関して前述したように、従来の半導体発光装置では、ＬＥＤによる段差の存在により、発光の「むら」が多く発生してしまったのに対して、本実施形態によればＬＥＤ１１をリードフレーム１２に埋め込んで段差を実質的になくしているために、蛍光体をランダムに混合した場合においても発光の「むら」を解消できる。このように蛍光体をランダムに混合する場合は、図１に例示したように層状に塗布するよりも容易に製造することができる。

かくして得られた半導体発光装置にバイアス電流を供給したところ、ＬＥＤ１１の上方から観察して色斑の無い均一な白色発光が得られた。つまり、本発明によれば、従来と同様にＲＧＢ蛍光体を混合して塗布しても発光「むら」の無い均一な発光を得ることができる。また、本装置では指向角に対する色純度も良く、この点でも従来構造の装置よりも優れていることがわかった。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図４は、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本実施形態の半導体発光装置は、発光素子をマウントする実装部材として、前述したリードフレームの代わりに基板２２が用いられている点が異なる。すなわち、基板２２には凹状のカップ部が形成され、その底面には凹部２２Ａが設けられている。ＬＥＤ１１は、この凹部２２Ａに埋め込まれるようにマウントされ、ワイア１６、１７により配線されている。

そして、実質的に平坦な面とされたカップ部の底面とＬＥＤ１１の上面とに蛍光体１３〜１５が塗布されている。

本実施形態においても、蛍光体の塗布面は段差を有せず、実質的に平坦な面とされているので、図９に関して前述したような偏析状態のむらが生ずることはない。その結果として、均一な発光を得ることができる。

なお、図４においては、ＲＧＢ蛍光体１３〜１５を一緒に混合してランダムに塗布した例を表したが、図１に例示したように、各蛍光体１３〜１５を層状に塗布しても良い。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本実施形態の半導体発光装置も、前述した第３実施形態と同様に基板２２にＬＥＤ１１がマウントされている。しかし、本実施形態においては、基板２２のカップ部が樹脂２５により埋め込まれている点が異なる。すなわち、基板２２には凹状のカップ部が形成され、その底面には凹部２２Ａが設けられている。このカップ部は、樹脂２５により埋め込まれ、この樹脂２５の表面に蛍光体１３〜１５が塗布されている。

本実施形態においても、蛍光体の塗布面すなわち樹脂２５の表面は段差を有せず、実質的に平坦な面とされているので、図９に関して前述したような偏析状態のむらが生ずることはない。その結果として、均一な発光を得ることができる。

また、本実施形態によれば、ＬＥＤ１１が樹脂２５により封止されているので、水分や各種の腐食性雰囲気の侵入によるＬＥＤの劣化や故障を防ぐことができる。その結果として、半導体発光装置の信頼性を向上することができる。

なお、図５においては、ＲＧＢ蛍光体１３〜１５を一緒に混合してランダムに塗布した例を表したが、図１に例示したように、各蛍光体１３〜１５を層状に塗布しても良い。また、図５においては、ＬＥＤ１１を基板２２に埋込みマウントした例を示したが、本実施形態はこれに限定されず、基板２２に凹部２２Ａを形成せずに、カップ部底面の平坦なマウント面にＬＥＤ１１をマウントしても良い。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

図６は、本発明の第５の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。同図においても、前述した第１実施形態及び第２実施形態と同様の構造部分については同一の符号を付した。図中３０は、ＬＥＤ１１から放出される１次光に対して透明な樹脂により形成されたレンズである。

本実施形態においては、ＬＥＤ１１をリードフレーム１２上に埋め込みマウントした後に透明樹脂のレンズ３０を形成し、その表面にＲＧＢ蛍光体を塗布した点に特徴を有する。レンズ３０の表面は段差を有しないので、蛍光体を塗布した場合に、図９に関して前述したような偏析状態のむらが生ずることはない。その結果として、均一な発光を得ることができる。

さらに、本実施形態によれば、レンズ３０を設けたことによりさらに指向角が広くなり、表示用や照明等の用途に広く適用することが可能となる。また、図６にはリードフレームを用いた場合の構造を例示したが、平面基板上へのマウントによって集積化すればその用途は格段に広がり本発明の利点をさらに引き出すことができる。

なお、図６においては、ＬＥＤ１１をリードフレーム１２に埋込みマウントした例を示したが、本実施形態はこれに限定されず、リードフレーム１２に凹部を形成せずに、平坦なマウント面にＬＥＤ１１をマウントしても良い。

また、蛍光体１３〜１５も、図６に示したように層状に塗布せずに、溶媒中にＲＧＢ蛍光体１３〜１５を一緒に混合してランダムになるように塗布しても良い。

次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。

図７は、本発明の第６の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。同図においても、前述した第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付した。図中６０は発光部が３つの領域に分かれたＬＥＤである。本実施形態は、ＬＥＤ６０の３分割された発光領域のそれぞれの上部にＲＧＢ蛍光体１３〜１５を分けて塗布した点に特徴を有する。つまり、ＬＥＤ６０は、遮光板６２によって、３つの領域に分割され、それぞれの領域にＲＧＢ蛍光体１３〜１５のいずれかが塗布されている。塗布されたそれぞれの蛍光体は、ＬＥＤ６０からの１次光を吸収して、それぞれの発光波長の２次光を放出する。

本実施形態によれば、１つの半導体発光装置においてＲＧＢそれぞれの発光を別々に取り出すことが可能となり、または、それらの混合色も自由に表現できるようになる。

図８は、第６の実施形態において用いることができるＬＥＤを表す概略断面図である。同図においては、前述した図３と同様の構造部分については同一の符号を付した。図中７０１は、ｎ型ＧａＮ基板である。この導電性基板上へ素子を作成することによってＬＥＤの上下面に電極をそれぞれ形成することができる。発光領域の分離は、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６からｎ型ＧａＮ層３０２まで貫通するようにエッチングすることにより行う。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６の上にｐ側電極３０７を形成し、ｎ型ＧａＮ基板７０１の裏面には共通のｎ側電極３０８を作成して、本素子が完成する。

なお、図７の半導体発光装置においては、遮光板６２を設けることにより、隣接する他の領域からの蛍光体の励起を防いでいる。図示した以外にも、発光領域同士の間隔を広くしたり、励起光に対して吸収するような材質あるいは吸収材を含んだ樹脂を用いて蛍光体を分離するようにしても良い。本実施形態においても、色斑のない均一な発光を得ることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明のこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、各実施形態で用いた発光素子は、窒化物半導体を用いたＬＥＤ以外にも、蛍光体の励起のために十分な波長と発光強度を有する他の材料系の発光素子でもよい。また、各実施形態においては蛍光体としてＲＧＢの３種の蛍光体を用いた場合を例示したが、種類の異なる２種類以上の組み合わせにおいて本発明は有効である。例えば、青色の２次光を放出する蛍光体と黄色の２次光を放出する蛍光体とを組み合わせて白色光を得る場合においても本発明を同様に適用して同様の効果を得ることができる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を表す概略断面図である。図１の半導体発光装置に搭載されるＬＥＤの構成を例示する概略断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本発明の第５の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。本発明の第６の実施の形態にかかる半導体発光装置を表す概略断面図である。第６の実施形態において用いることができるＬＥＤを表す概略断面図である。従来の半導体発光装置の概略構成を表す断面図である。

符号の説明

１１、６０、１０１ＬＥＤチップ
１２、１０２リードフレーム
１３、１１１赤色（Ｒ）蛍光体
１４、１１２緑色（Ｇ）蛍光体
１５、１１３青色（Ｂ）蛍光体
１６、１０６ｎ側金ワイヤ
１７、１０７ｐ側金ワイヤ
２２基板
２５樹脂
３０レンズ
６２遮光板
３０１サファイア基板
３０２ｎ型ＧａＮコンタクト層
３０３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０４ＩｎＧａＮ活性層
３０５ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０６ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０７ｐ側電極
３０８ｎ側電極
７０１ＧａＮ基板

Claims

実装部材と、前記実装部材にマウントされた発光素子と、前記発光素子から放出される１次光を吸収して前記１次光とは異なる第１の波長の光を放出する第１の蛍光体と、
前記発光素子から放出される１次光を吸収して前記１次光とは異なる第２の波長の光を放出する第２の蛍光体と、
を備えた半導体発光装置であって、
前記第１の蛍光体は、前記発光素子の光放出面の第１の領域の上に設けられ、
前記第２の蛍光体は、前記発光素子の光放出面の前記第１の領域とは異なる第２の領域の上に設けられ、
前記第１の領域と前記第２の領域は、遮光板によって分割されていることを特徴とする半導体発光装置。
前記発光素子が第１領域と第２領域とを有し、
前記第１領域は、第１導電型の半導体と電気的に接続された第１の活性層と、前記第１の活性層上に形成された第１の第２導電型半導体層と、を有し、
前記第２領域は、前記第１導電型の半導体と電気的に接続された第２の活性層と、前記第２の活性層上に形成された第２の第２導電型半導体層と、を有し、
前記第１導電型の半導体に電気的に接続された第１電極が形成され、
前記第１の第２導電型半導体層に電気的に接続された第１の第２電極が形成され、
前記第２の第２導電型半導体層に電気的に接続された第２の第２電極が形成され、
前記第１電極と前記第１の第２電極からの電流注入により前記第１の活性層から前記１次光が放出されて前記第１の蛍光体が励起され、
前記第１電極と前記第２の第２電極からの電流注入により前記第２の活性層から前記１次光が放出されて前記第２の蛍光体が励起されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
前記半導体発光装置が、前記発光素子から放出される１次光を吸収して前記１次光とは異なる第３の波長の光を放出する第３の蛍光体をさらに備え、
前記第３の蛍光体が、前記発光素子の光放出面の前記第１の領域および前記第２の領域とは異なる第３の領域の上に設けられ、
前記第３の領域が、遮光板によって前記第１の領域および前記第２の領域と分割されており、
前記半導体発光素子がさらに第３領域を有し、
前記第３領域は、前記第１導電型の半導体と電気的に接続された第３の活性層と、前記第３の活性層上に形成された第３の第２導電型半導体層と、を有し、
前記第３の第２導電型半導体層に電気的に接続された第３の第２電極が形成され、
前記第１電極と前記第３の第２電極からの電流注入により前記第３の活性層から前記１次光が放出されて前記第３の蛍光体が励起されることを特徴とする請求項２記載の半導体発光装置。
前記１次光が紫外光であり、前記第１の波長の光が青色光であり、前記第２の波長の光が緑色光であり、前記第３の波長の光が赤色光であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光装置。