JP3960053B2 - 半導体発光装置及びこれを用いた照明用発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱特性に優れた半導体発光装置及びこれを用いた照明用発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体を利用した青色発光の発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と記す）は、一般に絶縁性のサファイアを基板とし、この基板に積層した化合物半導体の表面側にｐ側及びｎ側の電極を形成し、これらの電極面に表面実装するいわゆるフリップチップ型の発光素子として用いられる。このようなフリップチップ型の発光素子は、基板のサファイアが光透過性であるため、基板を発光方向側に向かせた姿勢として導通基板に実装し、基板の表面（電極形成面と反対側）を主光取出し面として使うことができる。そして、近来では、発光素子のチップを機器の導通基板に実装搭載するのに代えて、例えばツェナーダイオードによる静電気保護を目的としたＳｉサブマウント素子に搭載した半導体発光素子が有効な発光源として利用されている。
【０００３】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の複合発光素子７０は、Ｓｉサブマウント素子７１上に、単体発光素子７２を搭載し、蛍光体７６でモールドしたものである。
【０００４】
Ｓｉサブマウント素子７１は、ｎ型シリコン基板を素材としたもので、一部からｐ型不純物イオンを注入して拡散させて、ｐ型半導体領域を部分的に形成しツェナーダイオードとしたものである。ｎ型半導体領域に相当する部分にｎ側電極及びｐ型半導体領域に相当する部分にｐ側電極をそれぞれ形成している。すなわち電極７３は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面に拡がってワイヤボンディング領域を形成し、電極７４は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面とは逆側面のＡｕ電極７５にｎ型半導体領域を介して接続されている。
【０００５】
単体発光素子７２は従来例と同様にＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光のフリップチップ型のものであって、サファイアの基板にｐ型層及びｎ型層を積層すると共に、これらの層の表面にｐ側電極及びｎ側電極を蒸着法によって形成したものである。そして、この単体発光素子７２をマイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子上に搭載接合させる。Ｓｉサブマウント素子７１（ツェナーダイオード）は、単体発光素子７２と逆極性に接続することによって静電気保護の機能を付加することができる。
【０００６】
すなわち、このような逆極性の接続によって、電極７３，７４に高電圧による過電流が印加されたときには、単体発光素子７２に印加される逆方向電圧はＳｉサブマウント素子７１の順方向電圧付近すなわち０．９Ｖでバイパスが開く。また、単体発光素子７２に印加される順方向電圧はＳｉサブマウント素子７１のツェナー電圧Ｖｚを１０Ｖ付近に設定することにより、その電圧でバイパスが開き、それぞれ過電流が逃がされる。したがって、静電気による単体発光素子７２の破壊を確実に防ぐことができる。
【０００７】
Ｓｉサブマウント素子７１はその底面のｎ側電極７５を実装基板７９の配線パターン上に導通搭載され、その上面のｐ側電極７３を実装基板の配線パターンにワイヤ（図示せず）ボンディングされる。
【０００８】
単体発光素子７２のｐ側電極は、マイクロバンプ７８、Ｓｉサブマウント素子７１のｎ型半導体領域、裏側の電極７５を介して実装基板７９の配線パターンに電気的に接続され、又ｎ側電極はマイクロバンプ７７、Ｓｉサブマウント素子７１のｐ側電極７３、そしてワイヤを介して配線パターンに電気的に接続されている。このような導通構造によって、電源側と複合発光素子７０とが導通し、通電によって活性層からの発光が得られる。
【０００９】
なお、単体発光素子７２の活性層から発生する熱は、マイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子７１に移動し、さらに電極７５を介して実装基板７９に移動する。
【００１０】
近年では、複合発光素子に流す電流をＩＦ＝２０ｍＡから１００ｍＡに増やして、輝度を増加させようとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＦ＝１００ｍＡの大電流になると、一般的な砲弾型ＬＥＤやチップＬＥＤでは放熱特性が十分でないため、熱による発光効率の低下や信頼性の低下が著しい。そこで、本発明者が特願２００１−２７６３１２で放熱特性を改善した半導体発光装置を提案した。これを図１３に示す。
【００１２】
図１３（Ａ）に複合発光素子を用いた半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）に同半導体発光装置の平面図を示す。
【００１３】
半導体発光装置８１は、複合発光素子７０と、複合発光素子７０に熱伝達可能に連接されると共に電気的に接続されて第１の電極になる放熱ブロック８２と、放熱ブロック８２の周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられ、複合発光素子７０に電気的に接続されて第２の電極になるスリーブ８３と、複合発光素子７０、放熱ブロック８２及びスリーブ８３の一部を封止する樹脂部８４とを有している。半導体発光装置８１は、放熱ブロック８２及びスリーブ８３をそれぞれ電極として、熱伝達と電流の導通を兼用させている。複合発光素子７０で発生する熱は、放熱ブロック８２によって放熱することができる。
【００１４】
しかし、従来の複合発光素子７０は、単体発光素子７２から実装基板７９までの熱が流れる経路とｐ側電極の導通経路が同じであるため、電流を増やそうとすると、発熱により発生したノイズが回路内に廻り込んで、複合発光素子の動作が不安定になるという問題がある。
【００１５】
また、この複合発光素子を用いた半導体発光装置も放熱ブロックがＰ電極を兼用しているため、動作が不安定になり実用化が困難という問題がある。
【００１６】
そこで本発明は、放熱特性がよくノイズを防止できる半導体発光装置及びこれを用いた照明用発光装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置においては、放熱ブロックと対となる電極ブロックを絶縁状態で設けたので、放熱経路と導通経路が分離される。
【００１８】
この発明によれば、放熱特性がよくノイズを防止できる半導体発光装置が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願の第１の発明は、透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した単体発光素子を備えた半導体発光素子と、この半導体発光素子の下側に絶縁層を介して設けられた円柱状の放熱ブロックと、この放熱ブロックに隣接する位置に絶縁部を介してそれぞれ設けられ、前記半導体発光素子の前記一対の電極に電気的に接続され、断面円弧状に形成された対となる電極ブロックとを有し、前記半導体発光素子、前記放熱ブロック及び前記電極ブロックの一部は、樹脂で封止されていることを特徴とする半導体発光装置としたものであり、単体発光素子から放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路が形成され、また、単体発光素子の一対の電極から電極ブロックに電流を流す２つの導通経路が形成されるので、単体発光素子から発生する熱の大部分を放熱ブロックで吸収し、導通経路へのノイズの混入を防止するという作用を有する。また、全体が円柱状又は砲弾状に形成されるという作用を有する。
【００２０】
本願の第２の発明は、前記半導体発光素子は、前記単体発光素子とＳｉサブマウント素子を備えた複合発光素子を有し、前記Ｓｉサブマウント素子は、前記単体発光素子の下側に配置され、上面に２つの電極を備えると共に下面には絶縁膜を形成し、前記２つの電極に前記単体発光素子の前記一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したことを特徴とする第１の発明に記載の半導体発光装置としたものであり、下面に絶縁膜を形成したＳｉサブマウント素子を設けることによって、静電気保護機能を維持したまま、絶縁膜を経由し、放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路と、上面に形成された２つの電極から電極ブロックに電流を流す導通経路が形成され、放熱と導通が分離されるという作用を有する。
【００２１】
本願の第３の発明は、前記単体発光素子を、前記Ｓｉサブマウント素子上に複数設け、それぞれの前記一対の電極を前記Ｓｉサブマウント素子の前記２つの電極に直接又は補助配線を介して接合したことを特徴とする第２の発明に記載の半導体発光装置であり、Ｓｉサブマウント素子が大型化され、複数の単体発光素子から発生する熱が１つのＳｉサブマウント素子を介して放熱ブロックへ移動するという作用を有する。
【００２４】
本願の第４の発明は、第１の発明に記載の半導体発光装置の前記放熱ブロックと前記２つの電極ブロックとを、それぞれ着脱可能に密着させて取り付ける固定部を有することを特徴とする照明用発光装置であり、放熱ブロックと電極ブロックをそれぞれ取り付けるので、放熱経路と導通経路が分離し、動作が安定するという作用を有する。
【００２５】
本願の第５の発明は、前記固定部の前記放熱ブロックに接続する領域には、周囲を覆う傘状のフードが設けられていることを特徴とする第４の発明に記載の照明用発光装置であり、傘状のフードを有しているので、光量を増加させると共に放熱性をさらに向上させて、動作電流を増加させることができるという作用を有する。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図、図２（Ａ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の正断面図、（Ｃ）は複合発光素子に用いられるＳｉサブマウント素子の平面図、図３は同複合発光素子の回路図を示す。
【００２８】
図１、図２に示すように、半導体発光装置１は、４つの半導体発光素子の一例である単体発光素子２と、これらを搭載した１つのＳｉサブマウント素子３とを備えた複合発光素子２５を有している。
【００２９】
また、半導体発光装置１は、複合発光素子２５と、Ｓｉサブマウント素子３の下側に設けられた放熱ブロック４と、放熱ブロック４の両側に設けられた対となる電極ブロック５，６とを有している。
【００３０】
単体発光素子２は、サファイアの透明基板上にｎ型及びｐ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したＧａＮ系青色発光素子で積層した半導体薄膜層の下面（一方の面）に一対の電極（ｎ電極とｐ電極）をそれぞれ形成している。４つの単体発光素子２は、サブマウント素子３の補助配線８ａにより、図３に示すような接続となっている。そして、蛍光体１２で一体的にモールドされ白色に発光する。
【００３１】
Ｓｉサブマウント素子３は、１個のツェナーダイオード３ａが形成され、上面に２つの電極７，８及び補助配線８ａを備え、この２つの電極と補助配線８ａにより各単体発光素子２の一対の電極は図３に示す回路図のように接合され、下面には例えばＳｉＯ2からなる絶縁膜９を形成している。
【００３２】
放熱ブロック４は、矩形板状に形成された銅製のブロックで、上部のＳｉサブマウント素子３を配置する部分には、横方向への光を上方に反射するために凹部が形成され銀メッキされている。
【００３３】
電極ブロック５，６は、矩形板状に形成されて放熱ブロック４の両側（隣接する位置）に隙間をあけて配置され、Ｓｉサブマウント素子３の電極７，８にボンディングワイヤ１０，１１を介して接続されている。そして、放熱ブロック４と電極ブロック５，６との間の隙間と、放熱ブロック４及び電極ブロック５，６の上部は、絶縁性を有する透明樹脂によってモールドされている。
【００３４】
係る構成によって、複合発光素子２５からの主たる発熱は放熱ブロック４に伝達され、電流は、複合発光素子２５のＳｉサブマウント素子３の電極７，８及び両電極ブロック５，６に流れる。また、ボンディングワイヤ１０，１１に流れる電流によっても少しの発熱があるが、電極ブロック５，６が設けられているので、温度上昇は小さくノイズの発生もほとんどない。
【００３５】
図３に示すように、半導体発光装置１は、形成された４つの発光ダイオードを２つずつ並列に接続している。
【００３６】
図４は、複数の半導体発光装置を設けた固定パネルの平面図を示す。
【００３７】
固定パネル１６はＣｕやＡｌからなる矩形の板状部材であって、表面は絶縁膜１７ｄが形成されその上にＡｕの配線部１７ａ、１７ｂが形成され領域１７ｃの部分は絶縁膜１７ｄが開口されている。そして半導体発光装置１を４つ（複数）取付可能な固定部１３を有し、固定部１３は取り付けた各半導体発光装置１のそれぞれ２つの電極ブロック５，６を対向する角部に設けられた電極１４，１５にそれぞれ接続する配線部１７ａ、１７ｂと放熱ブロック４に接続し、熱を板状部材に効率よく流すための領域１７ｃを有している。半導体発光装置１は、固定部１３の配線部１７ａ、１７ｂと電極ブロック５，６が半田等で接着されて導通経路を形成し、領域１７ｃと放熱ブロック４が良熱伝導ペースト等で接着され放熱経路を形成している。
【００３８】
図５（Ａ）は、固定パネルを用いた照明用発光装置の正断面図、（Ｂ）は同照明用発光装置の部分拡大断面図を示す。
【００３９】
照明用発光装置１８は、半導体発光装置１を固定部１３に取り付けた固定パネル１６と、固定パネル１６の上面及び周囲を覆い、半導体発光装置１から側方へ向かう光を下方に反射させる傘状のフード１９とを有している。この傘状のフード１９は、固定パネル１６の板状部材と熱伝達可能に連接し、熱を効率よく外に放出する。
【００４０】
固定パネル１６は、ＡｌやＣｕ又はこれらの合金からなる金属製で、半導体発光装置１から伝えられる熱を拡散させて逃がすことができる。
【００４１】
フード１９は内周面には光反射率の高いＡｇのメッキや白色顔料を塗布した金属製で、上端には商用交流電源に接続され直流に変換する変換器２０を配置し、固定パネル１６の電極１４，１５に、フード１９とは絶縁されて接続され電流を供給している。
【００４２】
係る構成によって、単体発光素子からの発熱を迅速に逃がすことができるので、電流を増やすことができ、電流増加分の輝度を増加させることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図６（Ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図、図７は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置を用いた照明用発光装置の正断面図を示す。
【００４４】
半導体発光装置２１は、複合発光素子２５に放熱ブロック２２と電極ブロック２３，２４を接続したものである。
【００４５】
放熱ブロック２２は、円柱状に形成され、一方側の平面に複合発光素子２５を搭載している。
【００４６】
電極ブロック２３，２４は、中心角が１８０度より少し小さい断面円弧状に形成され、放熱ブロック２２の外周面に円筒状の絶縁部２６を介してそれぞれ対向して設けられている。
【００４７】
係る構成によって、複合発光素子２５からの主たる発熱は放熱ブロック２２に伝達され、電流は、複合発光素子２５のＳｉサブマウント素子３の電極７，８及び両電極ブロック２３，２４に流れる。
【００４８】
照明用発光装置２７は、半導体発光装置２１を取り付ける固定部２８と、固定部２８の上部及び周囲を覆う傘状のフード２９とを有している。
【００４９】
固定部２８は、フード２９に形成された貫通しない取付穴３０と、取付穴３０内に設けられ、半導体発光装置２１の放熱ブロック２２を半径方向内側に付勢して固定する板ばねからなる付勢部材３１と、取付穴３０の外側に絶縁層３５を挟んで設けられ、電極ブロック２３，２４をそれぞれ半径方向内側に付勢して固定すると共に、変換器３４に電気的に接続する金属製の板ばねからなる付勢部材３２，３３とを有している。付勢部材３２，３３が電極ブロック２３，２４と接続して導通経路を形成し、付勢部材３１が放熱ブロック２２と接続して放熱経路を形成している。
【００５０】
取付穴３０の形状と放熱ブロック２２の形状を、例えば、Ｄ形に形成することにより、極性の接続ミス等を防止できる。
【００５１】
（実施の形態３）
図１０（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の部分拡大正断面図である。
【００５２】
図１０に示すように、第３の実施の形態に係る半導体発光装置４１は、第１の実施の形態の半導体発光装置１の複合発光素子２５の替わりに単体発光素子４２を半導体発光素子として用いている。なお、他の部材の構成は第１の実施の形態に係る半導体発光装置１と同じなので、同一部材には同一番号を付して説明は省略する。
【００５３】
単体発光素子４２は、一対の電極４３，４４を上側に向けて放熱ブロック４上に絶縁ペースト４５を介して配置されている。一対の電極４３，４４は、電極ブロック５，６にボンディングワイヤ４６，４７を介して直接接続されている。
【００５４】
（実施の形態４）
図１１（Ａ）は第４の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図を示す。
【００５５】
図１１に示すように、第４の実施の形態に係る半導体発光装置４８は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置２１の複合発光素子２５の替わりに第３の実施の形態に係る単体発光素子４２を半導体発光素子として用いている。
【００５６】
単体発光素子４２は、放熱ブロック２２上に配置され、電極ブロック２３，２４にボンディングワイヤ４９，５０を介して接続されている。
【００５７】
（他の実施の形態）
図８は、他の実施の形態に係る複合発光素子の回路図である。
【００５８】
このように、４つの単体発光素子２を直列に接続することも可能である。
【００５９】
図９（Ａ）は、さらに他の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は、同複合発光素子の正断面図を示す。
【００６０】
複合発光素子３７は、１つの単体発光素子２を、裏面に絶縁膜４０を形成した１つのＳｉサブマウント素子３６に搭載したもので、ｐｎ接合のツェナーダイオード３６ａを形成している。係る構成によって、電極３８，３９を含む全体の大きさを小さく形成することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）半導体発光素子の下側に設けられた放熱ブロックと、半導体発光素子の２つの電極に接合する対となる電極ブロックとが電気的に絶縁された状態で形成されるので、放熱経路と導通経路が別々に形成され、単体発光素子からＳｉサブマウント素子に伝達される熱の大部分を放熱ブロックで吸収して、導通経路にノイズが廻り込むことを防止できる。
（２）下面に絶縁膜を形成したＳｉサブマウント素子を設けることによって、静電気保護機能を維持したまま、絶縁膜を経由し、放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路と上面に形成された２つの電極から電極ブロックに電流を流す導通経路が別々に形成され、熱によるノイズの廻り込みを防止できる。
（３）単体発光素子をＳｉサブマウント素子上に複数設けることにより、Ｓｉサブマウント素子が大型化し、複数の単体発光素子から発生する熱が１つのＳｉサブマウント素子を介して放熱ブロックへ移動するので、放熱が効率よく行われる。
（４）放熱ブロック及び前記電極ブロックを矩形板状に形成することにより、全体が薄型に形成され、薄型の照明装置を提供することができる。
（５）放熱ブロックを円柱状に形成し、対となる電極ブロックを断面円弧状に形成することにより、半導体発光装置全体が円柱状又は砲弾状に形成され、着脱を容易にすることができる。
（６）照明用発光装置に、放熱ブロックと電極ブロックをそれぞれ取り付けるので、放熱経路と導通経路が分離し、ノイズの廻り込みなどによる不安定な動作を防止して動作を安定させることができる。
（７）傘状のフードとを有する構成とすることにより、放熱性がさらに向上し、動作電流を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図２】（Ａ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の正断面図
（Ｃ）は同半導体発光装置に用いられるＳｉサブマウント素子の平面図
【図３】同半導体発光装置の複合発光素子の回路図
【図４】複数の半導体発光装置を設けた固定パネルの平面図
【図５】（Ａ）は固定パネルを用いた照明用発光装置の正断面図
（Ｂ）は同照明用発光装置の部分拡大断面図
【図６】（Ａ）は第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図７】第２の実施の形態に係る半導体発光装置を用いた照明用発光装置の正断面図
【図８】他の実施の形態に係る複合発光素子の回路図
【図９】（Ａ）は、さらに他の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は、同複合発光素子の正断面図
【図１０】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の部分拡大正断面図
【図１１】（Ａ）は第４の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図１２】（Ａ）は従来例に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【図１３】（Ａ）は同複合発光素子を用いた半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【符号の説明】
１ 半導体発光装置
２ 単体発光素子
３ Ｓｉサブマウント素子
３ａ ツェナーダイオード
４ 放熱ブロック
５，６ 電極ブロック
７，８ 電極
８ａ 補助配線
９ 絶縁膜
１０，１１ ボンディングワイヤ
１２ 蛍光体
１３ 固定部
１４，１５ 電極
１６ 固定パネル
１７ａ，１７ｂ 配線部
１７ｃ 領域
１７ｄ 絶縁膜
１８ 照明用発光装置
１９ フード
２０ 変換器
２１ 半導体発光装置
２２ 放熱ブロック
２３，２４ 電極ブロック
２５ 複合発光素子
２６ 絶縁部
２７ 照明用発光装置
２８ 固定部
２９ フード
３０ 取付穴
３１ 付勢部材
３２，３３ 付勢部材
３４ 変換器
３５ 絶縁層
３６ Ｓｉサブマウント素子
３６ａ ツェナーダイオード
３７ 複合発光素子
３８，３９ 電極
４０ 絶縁膜
４１ 半導体発光装置
４２ 単体発光素子
４３，４４ 電極
４５ 絶縁ペースト
４６，４７ ボンディングワイヤ
４８ 半導体発光装置
４９，５０ ボンディングワイヤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱特性に優れた半導体発光装置及びこれを用いた照明用発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体を利用した青色発光の発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と記す）は、一般に絶縁性のサファイアを基板とし、この基板に積層した化合物半導体の表面側にｐ側及びｎ側の電極を形成し、これらの電極面に表面実装するいわゆるフリップチップ型の発光素子として用いられる。このようなフリップチップ型の発光素子は、基板のサファイアが光透過性であるため、基板を発光方向側に向かせた姿勢として導通基板に実装し、基板の表面（電極形成面と反対側）を主光取出し面として使うことができる。そして、近来では、発光素子のチップを機器の導通基板に実装搭載するのに代えて、例えばツェナーダイオードによる静電気保護を目的としたＳｉサブマウント素子に搭載した半導体発光素子が有効な発光源として利用されている。
【０００３】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の複合発光素子７０は、Ｓｉサブマウント素子７１上に、単体発光素子７２を搭載し、蛍光体７６でモールドしたものである。
【０００４】
Ｓｉサブマウント素子７１は、ｎ型シリコン基板を素材としたもので、一部からｐ型不純物イオンを注入して拡散させて、ｐ型半導体領域を部分的に形成しツェナーダイオードとしたものである。ｎ型半導体領域に相当する部分にｎ側電極及びｐ型半導体領域に相当する部分にｐ側電極をそれぞれ形成している。すなわち電極７３は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面に拡がってワイヤボンディング領域を形成し、電極７４は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面とは逆側面のＡｕ電極７５にｎ型半導体領域を介して接続されている。
【０００５】
単体発光素子７２は従来例と同様にＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光のフリップチップ型のものであって、サファイアの基板にｐ型層及びｎ型層を積層すると共に、これらの層の表面にｐ側電極及びｎ側電極を蒸着法によって形成したものである。そして、この単体発光素子７２をマイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子上に搭載接合させる。Ｓｉサブマウント素子７１（ツェナーダイオード）は、単体発光素子７２と逆極性に接続することによって静電気保護の機能を付加することができる。
【０００６】
すなわち、このような逆極性の接続によって、電極７３，７４に高電圧による過電流が印加されたときには、単体発光素子７２に印加される逆方向電圧はＳｉサブマウント素子７１の順方向電圧付近すなわち０．９Ｖでバイパスが開く。また、単体発光素子７２に印加される順方向電圧はＳｉサブマウント素子７１のツェナー電圧Ｖｚを１０Ｖ付近に設定することにより、その電圧でバイパスが開き、それぞれ過電流が逃がされる。したがって、静電気による単体発光素子７２の破壊を確実に防ぐことができる。
【０００７】
Ｓｉサブマウント素子７１はその底面のｎ側電極７５を実装基板７９の配線パターン上に導通搭載され、その上面のｐ側電極７３を実装基板の配線パターンにワイヤ（図示せず）ボンディングされる。
【０００８】
単体発光素子７２のｐ側電極は、マイクロバンプ７８、Ｓｉサブマウント素子７１のｎ型半導体領域、裏側の電極７５を介して実装基板７９の配線パターンに電気的に接続され、又ｎ側電極はマイクロバンプ７７、Ｓｉサブマウント素子７１のｐ側電極７３、そしてワイヤを介して配線パターンに電気的に接続されている。このような導通構造によって、電源側と複合発光素子７０とが導通し、通電によって活性層からの発光が得られる。
【０００９】
なお、単体発光素子７２の活性層から発生する熱は、マイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子７１に移動し、さらに電極７５を介して実装基板７９に移動する。
【００１０】
近年では、複合発光素子に流す電流をＩＦ＝２０ｍＡから１００ｍＡに増やして、輝度を増加させようとしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＦ＝１００ｍＡの大電流になると、一般的な砲弾型ＬＥＤやチップＬＥＤでは放熱特性が十分でないため、熱による発光効率の低下や信頼性の低下が著しい。そこで、本発明者が特願２００１−２７６３１２で放熱特性を改善した半導体発光装置を提案した。これを図１３に示す。
【００１２】
図１３（Ａ）に複合発光素子を用いた半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）に同半導体発光装置の平面図を示す。
【００１３】
半導体発光装置８１は、複合発光素子７０と、複合発光素子７０に熱伝達可能に連接されると共に電気的に接続されて第１の電極になる放熱ブロック８２と、放熱ブロック８２の周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられ、複合発光素子７０に電気的に接続されて第２の電極になるスリーブ８３と、複合発光素子７０、放熱ブロック８２及びスリーブ８３の一部を封止する樹脂部８４とを有している。半導体発光装置８１は、放熱ブロック８２及びスリーブ８３をそれぞれ電極として、熱伝達と電流の導通を兼用させている。複合発光素子７０で発生する熱は、放熱ブロック８２によって放熱することができる。
【００１４】
しかし、従来の複合発光素子７０は、単体発光素子７２から実装基板７９までの熱が流れる経路とｐ側電極の導通経路が同じであるため、電流を増やそうとすると、発熱により発生したノイズが回路内に廻り込んで、複合発光素子の動作が不安定になるという問題がある。
【００１５】
また、この複合発光素子を用いた半導体発光装置も放熱ブロックがＰ電極を兼用しているため、動作が不安定になり実用化が困難という問題がある。
【００１６】
そこで本発明は、放熱特性がよくノイズを防止できる半導体発光装置及びこれを用いた照明用発光装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置においては、放熱ブロックと対となる電極ブロックを絶縁状態で設けたので、放熱経路と導通経路が分離される。
【００１８】
この発明によれば、放熱特性がよくノイズを防止できる半導体発光装置が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願の第１の発明は、透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した単体発光素子を備えた半導体発光素子と、この半導体発光素子の下側に絶縁層を介して設けられた円柱状の放熱ブロックと、この放熱ブロックに隣接する位置に絶縁部を介してそれぞれ設けられ、前記半導体発光素子の前記一対の電極に電気的に接続され、断面円弧状に形成された対となる電極ブロックとを有し、前記半導体発光素子、前記放熱ブロック及び前記電極ブロックの一部は、樹脂で封止されていることを特徴とする半導体発光装置としたものであり、単体発光素子から放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路が形成され、また、単体発光素子の一対の電極から電極ブロックに電流を流す２つの導通経路が形成されるので、単体発光素子から発生する熱の大部分を放熱ブロックで吸収し、導通経路へのノイズの混入を防止するという作用を有する。また、全体が円柱状又は砲弾状に形成されるという作用を有する。
【００２０】
本願の第２の発明は、前記半導体発光素子は、前記単体発光素子とＳｉサブマウント素子を備えた複合発光素子を有し、前記Ｓｉサブマウント素子は、前記単体発光素子の下側に配置され、上面に２つの電極を備えると共に下面には絶縁膜を形成し、前記２つの電極に前記単体発光素子の前記一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したことを特徴とする第１の発明に記載の半導体発光装置としたものであり、下面に絶縁膜を形成したＳｉサブマウント素子を設けることによって、静電気保護機能を維持したまま、絶縁膜を経由し、放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路と、上面に形成された２つの電極から電極ブロックに電流を流す導通経路が形成され、放熱と導通が分離されるという作用を有する。
【００２１】
本願の第３の発明は、前記単体発光素子を、前記Ｓｉサブマウント素子上に複数設け、それぞれの前記一対の電極を前記Ｓｉサブマウント素子の前記２つの電極に直接又は補助配線を介して接合したことを特徴とする第２の発明に記載の半導体発光装置であり、Ｓｉサブマウント素子が大型化され、複数の単体発光素子から発生する熱が１つのＳｉサブマウント素子を介して放熱ブロックへ移動するという作用を有する。
【００２４】
本願の第４の発明は、第１の発明に記載の半導体発光装置の前記放熱ブロックと前記２つの電極ブロックとを、それぞれ着脱可能に密着させて取り付ける固定部を有することを特徴とする照明用発光装置であり、放熱ブロックと電極ブロックをそれぞれ取り付けるので、放熱経路と導通経路が分離し、動作が安定するという作用を有する。
【００２５】
本願の第５の発明は、前記固定部の前記放熱ブロックに接続する領域には、周囲を覆う傘状のフードが設けられていることを特徴とする第４の発明に記載の照明用発光装置であり、傘状のフードを有しているので、光量を増加させると共に放熱性をさらに向上させて、動作電流を増加させることができるという作用を有する。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図、図２（Ａ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の正断面図、（Ｃ）は複合発光素子に用いられるＳｉサブマウント素子の平面図、図３は同複合発光素子の回路図を示す。
【００２８】
図１、図２に示すように、半導体発光装置１は、４つの半導体発光素子の一例である単体発光素子２と、これらを搭載した１つのＳｉサブマウント素子３とを備えた複合発光素子２５を有している。
【００２９】
また、半導体発光装置１は、複合発光素子２５と、Ｓｉサブマウント素子３の下側に設けられた放熱ブロック４と、放熱ブロック４の両側に設けられた対となる電極ブロック５，６とを有している。
【００３０】
単体発光素子２は、サファイアの透明基板上にｎ型及びｐ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したＧａＮ系青色発光素子で積層した半導体薄膜層の下面（一方の面）に一対の電極（ｎ電極とｐ電極）をそれぞれ形成している。４つの単体発光素子２は、サブマウント素子３の補助配線８ａにより、図３に示すような接続となっている。そして、蛍光体１２で一体的にモールドされ白色に発光する。
【００３１】
Ｓｉサブマウント素子３は、１個のツェナーダイオード３ａが形成され、上面に２つの電極７，８及び補助配線８ａを備え、この２つの電極と補助配線８ａにより各単体発光素子２の一対の電極は図３に示す回路図のように接合され、下面には例えばＳｉＯ2からなる絶縁膜９を形成している。
【００３２】
放熱ブロック４は、矩形板状に形成された銅製のブロックで、上部のＳｉサブマウント素子３を配置する部分には、横方向への光を上方に反射するために凹部が形成され銀メッキされている。
【００３３】
電極ブロック５，６は、矩形板状に形成されて放熱ブロック４の両側（隣接する位置）に隙間をあけて配置され、Ｓｉサブマウント素子３の電極７，８にボンディングワイヤ１０，１１を介して接続されている。そして、放熱ブロック４と電極ブロック５，６との間の隙間と、放熱ブロック４及び電極ブロック５，６の上部は、絶縁性を有する透明樹脂によってモールドされている。
【００３４】
係る構成によって、複合発光素子２５からの主たる発熱は放熱ブロック４に伝達され、電流は、複合発光素子２５のＳｉサブマウント素子３の電極７，８及び両電極ブロック５，６に流れる。また、ボンディングワイヤ１０，１１に流れる電流によっても少しの発熱があるが、電極ブロック５，６が設けられているので、温度上昇は小さくノイズの発生もほとんどない。
【００３５】
図３に示すように、半導体発光装置１は、形成された４つの発光ダイオードを２つずつ並列に接続している。
【００３６】
図４は、複数の半導体発光装置を設けた固定パネルの平面図を示す。
【００３７】
固定パネル１６はＣｕやＡｌからなる矩形の板状部材であって、表面は絶縁膜１７ｄが形成されその上にＡｕの配線部１７ａ、１７ｂが形成され領域１７ｃの部分は絶縁膜１７ｄが開口されている。そして半導体発光装置１を４つ（複数）取付可能な固定部１３を有し、固定部１３は取り付けた各半導体発光装置１のそれぞれ２つの電極ブロック５，６を対向する角部に設けられた電極１４，１５にそれぞれ接続する配線部１７ａ、１７ｂと放熱ブロック４に接続し、熱を板状部材に効率よく流すための領域１７ｃを有している。半導体発光装置１は、固定部１３の配線部１７ａ、１７ｂと電極ブロック５，６が半田等で接着されて導通経路を形成し、領域１７ｃと放熱ブロック４が良熱伝導ペースト等で接着され放熱経路を形成している。
【００３８】
図５（Ａ）は、固定パネルを用いた照明用発光装置の正断面図、（Ｂ）は同照明用発光装置の部分拡大断面図を示す。
【００３９】
照明用発光装置１８は、半導体発光装置１を固定部１３に取り付けた固定パネル１６と、固定パネル１６の上面及び周囲を覆い、半導体発光装置１から側方へ向かう光を下方に反射させる傘状のフード１９とを有している。この傘状のフード１９は、固定パネル１６の板状部材と熱伝達可能に連接し、熱を効率よく外に放出する。
【００４０】
固定パネル１６は、ＡｌやＣｕ又はこれらの合金からなる金属製で、半導体発光装置１から伝えられる熱を拡散させて逃がすことができる。
【００４１】
フード１９は内周面には光反射率の高いＡｇのメッキや白色顔料を塗布した金属製で、上端には商用交流電源に接続され直流に変換する変換器２０を配置し、固定パネル１６の電極１４，１５に、フード１９とは絶縁されて接続され電流を供給している。
【００４２】
係る構成によって、単体発光素子からの発熱を迅速に逃がすことができるので、電流を増やすことができ、電流増加分の輝度を増加させることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図６（Ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図、図７は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置を用いた照明用発光装置の正断面図を示す。
【００４４】
半導体発光装置２１は、複合発光素子２５に放熱ブロック２２と電極ブロック２３，２４を接続したものである。
【００４５】
放熱ブロック２２は、円柱状に形成され、一方側の平面に複合発光素子２５を搭載している。
【００４６】
電極ブロック２３，２４は、中心角が１８０度より少し小さい断面円弧状に形成され、放熱ブロック２２の外周面に円筒状の絶縁部２６を介してそれぞれ対向して設けられている。
【００４７】
係る構成によって、複合発光素子２５からの主たる発熱は放熱ブロック２２に伝達され、電流は、複合発光素子２５のＳｉサブマウント素子３の電極７，８及び両電極ブロック２３，２４に流れる。
【００４８】
照明用発光装置２７は、半導体発光装置２１を取り付ける固定部２８と、固定部２８の上部及び周囲を覆う傘状のフード２９とを有している。
【００４９】
固定部２８は、フード２９に形成された貫通しない取付穴３０と、取付穴３０内に設けられ、半導体発光装置２１の放熱ブロック２２を半径方向内側に付勢して固定する板ばねからなる付勢部材３１と、取付穴３０の外側に絶縁層３５を挟んで設けられ、電極ブロック２３，２４をそれぞれ半径方向内側に付勢して固定すると共に、変換器３４に電気的に接続する金属製の板ばねからなる付勢部材３２，３３とを有している。付勢部材３２，３３が電極ブロック２３，２４と接続して導通経路を形成し、付勢部材３１が放熱ブロック２２と接続して放熱経路を形成している。
【００５０】
取付穴３０の形状と放熱ブロック２２の形状を、例えば、Ｄ形に形成することにより、極性の接続ミス等を防止できる。
【００５１】
（実施の形態３）
図１０（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の部分拡大正断面図である。
【００５２】
図１０に示すように、第３の実施の形態に係る半導体発光装置４１は、第１の実施の形態の半導体発光装置１の複合発光素子２５の替わりに単体発光素子４２を半導体発光素子として用いている。なお、他の部材の構成は第１の実施の形態に係る半導体発光装置１と同じなので、同一部材には同一番号を付して説明は省略する。
【００５３】
単体発光素子４２は、一対の電極４３，４４を上側に向けて放熱ブロック４上に絶縁ペースト４５を介して配置されている。一対の電極４３，４４は、電極ブロック５，６にボンディングワイヤ４６，４７を介して直接接続されている。
【００５４】
（実施の形態４）
図１１（Ａ）は第４の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図を示す。
【００５５】
図１１に示すように、第４の実施の形態に係る半導体発光装置４８は、第２の実施の形態に係る半導体発光装置２１の複合発光素子２５の替わりに第３の実施の形態に係る単体発光素子４２を半導体発光素子として用いている。
【００５６】
単体発光素子４２は、放熱ブロック２２上に配置され、電極ブロック２３，２４にボンディングワイヤ４９，５０を介して接続されている。
【００５７】
（他の実施の形態）
図８は、他の実施の形態に係る複合発光素子の回路図である。
【００５８】
このように、４つの単体発光素子２を直列に接続することも可能である。
【００５９】
図９（Ａ）は、さらに他の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は、同複合発光素子の正断面図を示す。
【００６０】
複合発光素子３７は、１つの単体発光素子２を、裏面に絶縁膜４０を形成した１つのＳｉサブマウント素子３６に搭載したもので、ｐｎ接合のツェナーダイオード３６ａを形成している。係る構成によって、電極３８，３９を含む全体の大きさを小さく形成することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）半導体発光素子の下側に設けられた放熱ブロックと、半導体発光素子の２つの電極に接合する対となる電極ブロックとが電気的に絶縁された状態で形成されるので、放熱経路と導通経路が別々に形成され、単体発光素子からＳｉサブマウント素子に伝達される熱の大部分を放熱ブロックで吸収して、導通経路にノイズが廻り込むことを防止できる。
（２）下面に絶縁膜を形成したＳｉサブマウント素子を設けることによって、静電気保護機能を維持したまま、絶縁膜を経由し、放熱ブロックに熱を伝達する放熱経路と上面に形成された２つの電極から電極ブロックに電流を流す導通経路が別々に形成され、熱によるノイズの廻り込みを防止できる。
（３）単体発光素子をＳｉサブマウント素子上に複数設けることにより、Ｓｉサブマウント素子が大型化し、複数の単体発光素子から発生する熱が１つのＳｉサブマウント素子を介して放熱ブロックへ移動するので、放熱が効率よく行われる。
（４）放熱ブロック及び前記電極ブロックを矩形板状に形成することにより、全体が薄型に形成され、薄型の照明装置を提供することができる。
（５）放熱ブロックを円柱状に形成し、対となる電極ブロックを断面円弧状に形成することにより、半導体発光装置全体が円柱状又は砲弾状に形成され、着脱を容易にすることができる。
（６）照明用発光装置に、放熱ブロックと電極ブロックをそれぞれ取り付けるので、放熱経路と導通経路が分離し、ノイズの廻り込みなどによる不安定な動作を防止して動作を安定させることができる。
（７）傘状のフードとを有する構成とすることにより、放熱性がさらに向上し、動作電流を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図２】（Ａ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同半導体発光装置に用いられる複合発光素子の正断面図
（Ｃ）は同半導体発光装置に用いられるＳｉサブマウント素子の平面図
【図３】同半導体発光装置の複合発光素子の回路図
【図４】複数の半導体発光装置を設けた固定パネルの平面図
【図５】（Ａ）は固定パネルを用いた照明用発光装置の正断面図
（Ｂ）は同照明用発光装置の部分拡大断面図
【図６】（Ａ）は第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図７】第２の実施の形態に係る半導体発光装置を用いた照明用発光装置の正断面図
【図８】他の実施の形態に係る複合発光素子の回路図
【図９】（Ａ）は、さらに他の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は、同複合発光素子の正断面図
【図１０】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の部分拡大正断面図
【図１１】（Ａ）は第４の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図１２】（Ａ）は従来例に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正断面図
【図１３】（Ａ）は同複合発光素子を用いた半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【符号の説明】
１ 半導体発光装置
２ 単体発光素子
３ Ｓｉサブマウント素子
３ａ ツェナーダイオード
４ 放熱ブロック
５，６ 電極ブロック
７，８ 電極
８ａ 補助配線
９ 絶縁膜
１０，１１ ボンディングワイヤ
１２ 蛍光体
１３ 固定部
１４，１５ 電極
１６ 固定パネル
１７ａ，１７ｂ 配線部
１７ｃ 領域
１７ｄ 絶縁膜
１８ 照明用発光装置
１９ フード
２０ 変換器
２１ 半導体発光装置
２２ 放熱ブロック
２３，２４ 電極ブロック
２５ 複合発光素子
２６ 絶縁部
２７ 照明用発光装置
２８ 固定部
２９ フード
３０ 取付穴
３１ 付勢部材
３２，３３ 付勢部材
３４ 変換器
３５ 絶縁層
３６ Ｓｉサブマウント素子
３６ａ ツェナーダイオード
３７ 複合発光素子
３８，３９ 電極
４０ 絶縁膜
４１ 半導体発光装置
４２ 単体発光素子
４３，４４ 電極
４５ 絶縁ペースト
４６，４７ ボンディングワイヤ
４８ 半導体発光装置
４９，５０ ボンディングワイヤ
Claims (5)
- 透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成した単体発光素子を備えた半導体発光素子と、
この半導体発光素子の下側に絶縁層を介して設けられた円柱状の放熱ブロックと、
この放熱ブロックに隣接する位置に絶縁部を介してそれぞれ設けられ、前記半導体発光素子の前記一対の電極に電気的に接続され、断面円弧状に形成された対となる電極ブロックとを有し、
前記半導体発光素子、前記放熱ブロック及び前記電極ブロックの一部は、樹脂で封止されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子は、前記単体発光素子とＳｉサブマウント素子を備えた複合発光素子を有し、前記Ｓｉサブマウント素子は、前記単体発光素子の下側に配置され、上面に２つの電極を備えると共に下面には絶縁膜を形成し、前記２つの電極に前記単体発光素子の前記一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記単体発光素子を、前記Ｓｉサブマウント素子上に複数設け、それぞれの前記一対の電極を前記Ｓｉサブマウント素子の前記２つの電極に直接又は補助配線を介して接合したことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
- 請求項１に記載の半導体発光装置の前記放熱ブロックと前記２つの電極ブロックとを、それぞれ着脱可能に密着させて取り付ける固定部を有することを特徴とする照明用発光装置。
- 前記固定部の前記放熱ブロックに接続する領域には、周囲を覆う傘状のフードが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の照明用発光装置。
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