JP4050482B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の空気清浄機に光触媒を励起させるために紫外光を放出するLED（発光装置）が用いられている。このLEDは専用設計の基板に多数個マウントされたIII族窒化物系化合物半導体発光素子をシリコーン等の光透過性樹脂で封止した構成である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような空気清浄機を家屋用に展開した場合、空気の処理量が大幅に増大すので、光触媒に要求される紫外線光量も増大することとなり、その結果、各LEDに高い光出力が要求される。LEDの数を増加させることにより光量を増加させることも考えられるが、部品点数増大によるコストの増加を引き起こすので好ましくない。
【０００４】
本発明者らの検討によれば、従来のLEDの光出力を増大させていった場合次の課題の存在が判明した。
光量の増加にともない一般に用いられる封止樹脂では変色（黄変）が促進され、充分な寿命を確保できない。
家屋用の空気清浄機は、車両用のものに比べて高い湿度で使用される可能性があり、耐変色性の点で有効なシリコーンでは充分な防湿効果が得られない。
また、一般家庭製品向けに市場拡大を図るためには、専用設計の基板を用いることは好ましくなく、一般的な砲弾型ランプとアッセンブリ方法が同じ形態にすることが好ましい。更に、アッセンブリ工程における発光素子の静電気による劣化を防止するために、発光素子にかかる逆方向電流をより確実に遮断する必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題の少なくとも一つを解決することをその目的の一つとする。この発明の他の目的は動作信頼性が高く、長寿命を達成できる発光装置を提供することにある。
この発明の発光装置の構成は次の通りである。
４００ｎｍ以下の波長の光を放出するフリップチップボンディングされたのIII族窒化物系化合物半導体発光素子と、
該発光素子に連結されるツエナーダイオードと、
前記発光素子と前記ツエナーダイオードとを封止する窓付き金属ケーシングと、
を備えてなる、半導体発光装置。
【０００６】
このように構成された発光装置によれば、III族窒化物系化合物半導体発光素子をフリップチップボンディングとすることにより、発光素子から高い効率で光を外部へ取り出すことが可能になる。また、ツエナーダイオードを用いることにより逆方向電流を確実に防止できるので、通常のアッセンブリ工程で製造できるとともに、発光装置自体の信頼性及び耐久性が向上する。更には、金属ケーシングで発光素子を封止することにより外部環境（特に湿気）の発光素子に対する影響を遮断できる。よって、発光装置の信頼性及び耐久性が向上する。他方、金属ケーシングによれ封止樹脂の使用を省略できるので、その変色の問題を解決することもできる。なお、この発明の他の局面では、短波長に対する耐変色性の高いシリコーン樹脂で発光素子を被覆している。そのレンズ効果を利用することにより光取り出し効率が向上し、更には発光装置の機械的強度も向上する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明について詳細に説明する。
４００ｎｍ以下の波長の光を放出するIII族窒化物系化合物半導体発光素子には従来から提供されているものをそのまま利用できる。
本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１は、例えば図1に示すように、基板２の上にｎ型層３、発光層を含む多重層４及びｐ型層５を順次積層した半導体構成を有する。ｐ型層５の上にｐ型電極６が形成され、エッチングにより表出されたｎ型層３の上にｎ型電極７が形成されている。ｐ型電極は金バンプなどのボンディング材料８を介してツエナーダイオード１０のｐ領域１３に結合され、ｎ型電極７もボンディング材料料９によりツエナーダイオード１０のｎ領域１２に結合される。このようにフリップチップボンディングされたの発光素子とはｐ型電極及びｎ型電極が形成される面側をマウント面として支持体にマウントされて使用される発光素子である。フリップチップボンディングされた発光素子では、発光した光は基板側、即ち電極形成面側と反対側より放射される。
この明細書において、III族窒化物系化合物半導体は一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
なお、発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したものや、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。また量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
【０００８】
ツエナーダイオードは発光素子に逆方向電流が流れることを防止するものであ。
この発明の実施例では板状のツエナーダイオードをステム３４のカップ部３５の底面にマウントし、その上に直接発光素子が連結された構成である。ツエナーダイオードと発光素子を分離して両者を導電性ワイヤで連結することも可能である。
【０００９】
図２に示すように、金属ケーシングはステム部３０とキャップ部４０を備えて、その中に発光素子を気密に封止する。金属ケーシングを用いることによりエポキシ樹脂等の変色し易い封止樹脂の使用が不要になった。金属ケーシング内は窒素ガス等の不活性ガスでパージすることが好ましい。
【００１０】
ステム３４のカップ部３５の周面は高い光反射効率を有するように、実質的な鏡面とすることが好ましい。鏡面とするために金や銀などでメッキをすることが好ましい。その他、白色の塗装をすることもできる。
カップ部３５内へ光透過性材料を充填して発光素子からの光取り出し効率を向上させ、また発光装置の機械的安定性を増加することが好ましい。この光透過性材料は発光素子からの光により変色し難いものとし、例えばシリコーン樹脂やガラスなどを挙げることができる。
光透過性材料中には蛍光体を分散させることができる。蛍光体を選択することにより、発光層から放出された光を任意の色に変換することができる。
ピーク波長が３８０ｎｍ付近にある発光素子に対する蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット：Ｃｅや、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ及びＺｎＳ：Ｅｕ等を採用することが好ましい。
かかる蛍光体は光透過性材料光透過性材料中に均等に分散されることが好ましい。透光性材料中において、蛍光体の分散濃度に傾斜を設けたり、これを徐変させたり若しくは偏在させることも可能である。
蛍光体の代わりに、若しくは蛍光体と併せてマイカ等の分散材を光透過性材料中に配合することもできる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を用いて、本発明の構成をより詳細に説明する。
図２はこの実施例の発光装置２０の構成を示す断面図である。実施例の発光装置２０は発光素子１、ツエナーダイオード１０、ステム部３０及びキャップ部４０から大略構成される。
図１は実施例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１とツエナーダイオード１０との連結態様を示す。
実施例の発光素子１はサファイア基板２の上にｎ型層３、発光層を含む多重層４及びｐ型層５を順次積層した半導体構成を有する。ｎ型層３及びｐ型層５は必要に応じて複数の層から構成される。多重層４には量子井戸構造が採用され、ほぼ３８０ｎｍの光が生成される。ｐ型電極６は金合金からなり、ｐ型層５の表面のほぼ全域に蒸着される。ｎ型電極７はアルミニウム合金からなり、エッチングにより表出されたｎ型層３の上に蒸着される。
【００１２】
発光素子１のｐ型電極６及びｎ型電極７は、それぞれ金バンプからなる導電性ボンディング材料８、９を介して、ツェナーダイオード１０のｎ領域１３及びｐ領域１２に接続される。ｎ領域１３には、図２に示すように、導電性ワイヤ１５の一端がボンディングされ、この導電性ワイヤ１５の他端はストレートリード３３にボンディングされる。ツェナーダイオード１０の裏面はステム３４のカップ部３５の底面に導電性ボンディング材料が接続される。ステム３４はアースリード３１に溶接されており、もって発光素子のｎ型電極７はアースリード３１と電気的に接続されることとなる。
【００１３】
ステム部３０は、図３に示す通り、キャップ状のステム３４、リード３１、３３及び絶縁材料３９を備えてなる。ステム３４は中央がパラボラ形状に凹んでおり（カップ部３５）、その底面中央にツエナーダイオード１０が固定され更に発光素子１が積み上げられている。ステム３４は導電性の金属材料をプレス成形したものであり、その表面は金メッキされている。ステム３４には２つの穴が設けられ、一方の穴にはアースリード３１が挿入溶着されている。他方の穴にはストレートリード３３が挿入され、絶縁材料３９でステム３４から絶縁されている。この絶縁材料３９にはガラスを採用している。
【００１４】
キャップ部４０はシェル部４１とガラス部４３を備えてなる（図４参照）。シェル部４１とガラス部４３とは気密に接続されている。キャップ部４０はステム３４より少し大きく形成されており、図２のようにキャップ部４０をステム３４へ被せたとき、適当な空間５０が形成される。シェル部４１の下縁とステム３４の下縁とは気密に溶接される。空間５０は窒素ガスでパージされている。
【００１５】
このように構成された実施例の発光装置２０によれば、発光素子１の多重層４で生成された光は基板２を通過して直接に若しくはｐ型電極６で反射して、更にはカップ部３５の表面で反射してガラス部４３を通過し、外部へ放出される。
ガラス部４３は無機材料であるため発光素子１からの短波光をうけても殆ど変色しない。したがって、発光素子１の出力を可及的に増大することができる。また、金属からなるステム３４及びシェル部４１並びにガラス材料部３９及び４３で空間５０が気密に包囲されている。したがって、埃等は勿論として水分が外部から当該空間へ侵入し、発光素子等に影響を及ぼすことはない。
【００１６】
図５に他の実施例の発光装置６０を示した。図５において図２と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例では、ステム部３０のカップ部３５にシリコーン樹脂７０をポッティングし、発光素子１を保護している。これにより、発光素子１からの光取りだし効率が向上し、また発光素子１とツエナーダイオード１０との連結部分やツエナーダイオード１０と導電性ワイヤ１５との結合部分の機械的強度が向上する。よって、発光装置としての信頼性が向上する。
シリコーン樹脂は紫外線等の短波光に対して最も変色し難い有機材料である。
【００１７】
この発明は、上記発明の実施の形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において発光素子とツエナーダイオードとの連結態様を示す断面図である。
【図２】実施例の発光装置を示す断面図である。
【図３】実施例の発光装置においてステム部の構成を示し、図３（Ａ）はステム部の平面図、図３（Ｂ）は同じく断面図である。
【図４】実施例の発光装置においてキャップ部の構成を示し、図４（Ａ）はキャップ部の平面図、図４（Ｂ）は同じく断面図である。
【図５】他の実施例の発光装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 発光素子、
１０ ツエナーダイオード
２０、６０ 発光装置
３０ ステム部
４０ キャップ部

Claims (2)

1. ４００ｎｍ以下の波長の光を放出するフリップチップボンディングタイプのＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子と、
   該発光素子に連結されるツェナーダイオードと、
   キャップ部をステム部に被せてなり、前記発光素子と前記ツェナーダイオードとを封止する金属ケーシングであって、前記キャップ部は金属からなるシェル部及び前記発光素子で生成された光を通過させるガラス部を有し、前記ステム部は金属からなるステム、リード及びガラスからなる絶縁材料を有し、前記発光素子は前記ステムのカップ部に配置され、前記キャップ部と前記ステム部との間に形成される空間が不活性ガスによりパージされる金属ケーシングと、を備え、
   前記カップ部は分散材を配合したシリコーン樹脂からなる光透過性樹脂により充填される、ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記ツェナーダイオードは前記金属ケーシングのステム部の前記カップ部内に配置され、その上に前記発光素子が配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。

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