JP4661147B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
図1は、本形態にかかる半導体装置の模式的な斜視図であり、図2は、本形態にかかる半導体装置の模式的な断面図である。ここで、図2は、図1に示される半導体装置を、貫通孔を含む鉛直面で切断した断面を示す。
本形態における支持基板とは、搭載された半導体素子を保持し、該半導体素子や外部の電極と電気的に接続される導体配線が施され、さらに被覆部材を配置することもできる板材である。ここで、「半導体素子が搭載される」とは、半導体素子が支持基板に直接配置されるものに限定されることなく、サブマウントのような補助的な別の支持基板を介して搭載されるものも含むものとする。あるいは、支持基板は、正負一対のリード電極が成型樹脂にてインサート成型され、半導体素子を載置するための凹部を有する部材とすることもできる。さらに、本形態における支持基板は、その支持基板に配置された被覆部材とからなる中空部まで挿通された貫通孔を有する。ここで、貫通孔の形状は、図2に示されるように、支持基板の主面方向に円柱状に貫通された形状に限定されることはない。図示することはないが、例えば、支持基板の主面に、中空部を形成する領域から被覆部材の外縁まで延伸する溝を形成させておき、その溝と被覆部材の端面とからなる貫通部としてもよい。また、搭載される半導体素子の数や、被覆部材の形状などにより種々の大きさ、数および形状とすることができる。また、貫通孔の形状を支持基板の上面から下面にかけて先細りにすることが好ましい。これにより、半導体装置のリフロー工程において、溶融された密栓を貫通孔内に留めることができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。貫通孔の内径は、その貫通孔に密栓を配置させる工程の作業性に影響を与えず、貫通孔から密栓が脱落しない程度の大きさとし、0.01mmから2.0mmが好ましく、より好ましくは0.5mmから1.0mmである。
本形態における被覆部材とは、半導体素子や該半導体素子に電気的に接続される導電性ワイヤなどを外部環境から保護するため、それらの部材を覆うように支持基板に配置されるものである。半導体発光素子や受光素子においては、半導体素子の光学特性を考慮して種々の光学形状を有する透光性部材とすることもできる。特に、本形態における被覆部材は、図1および図2に示されるように、半導体装置の視認側に凸であり、半導体素子に対向する側に半球状の空洞を有する球面部と、該球面部との外縁となり支持基板に固定される部位とを有する透光性のレンズである。
本発明における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子(ツェナーダイオードやコンデンサーなど)、あるいはそれらを組み合わせたものとすることができる。特に、本形態における発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有する発光素子チップが好適に用いられる。また、蛍光物質を用いた場合、該蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子が好ましい。このような半導体発光素子としてZnSeやGaNなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。また所望に応じて、窒化物半導体にボロンやリンを含有させることも可能である。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイヤ、スピネル、SiC、Si、ZnO、およびGaN等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にMOCVD法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイヤ基板上にGaN、AlN、GaAIN等のバッファ層を形成しその上にpn接合を有する窒化物半導体を形成させる。窒化物半導体を使用したpn接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。また、前記p型層上に金属層を積層した後、半導体用基板を除去してもよい。このように構成された発光素子を前記金属層が実装面側となるように実装すると、放熱性の高い発光装置が得られる。それぞれ露出されたp型層及びn型層上に各電極を形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
本形態における密栓とは、支持基板に形成された貫通孔を密封するための部材であり、所定の温度で溶融および固化する材料からなる。具体的に述べると、密栓は、240℃〜260℃で溶融し、加熱溶融時に透光性の被覆部材の内面を曇らせたり、半導体素子を劣化させる有機ガスなどの成分を放出したりすることがない部材が好適に用いられる。具体的な材料として、半田、鉛フリー半田、ホットメルト系材料、樹脂、低融点合金などが用いられる。密栓は、半導体素子を載置する支持基板上面側の貫通孔に載置することもできるし、支持基板下面側の貫通孔に載置することもできる。溶融温度が異なる密栓の材料の種類を種々選択することによって、リフロー工程で密栓することもできるし、リフロー工程後に密栓することもできる。
本形態において、半導体発光素子を有する半導体装置とするとき、半導体発光素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を配置することができる。例えば、(1)半導体発光素子の半導体素子構造や保護膜、(2)発光素子あるいはサブマウントを覆う被覆部材、(3)発光素子や、発光素子がフリップチップ実装されたサブマウントを支持体に固着させるダイボンド材、(4)サブマウントおよびパッケージのような支持基体など、各構成部材中および/または各構成部材の周辺に無機蛍光体や有機蛍光体のような種々の蛍光物質を配置または含有させることができる。特に、被覆部材と組み合わされる蛍光物質は、被覆部材の発光観測面側を被覆するようにシート状に設けられる他、被覆部材の発光観測面側および発光素子から離間させた位置に、蛍光体を含む層、シート、キャップあるいはフィルターとして被覆部材の内部に設けることもできる。また、フリップチップ実装された発光素子を被覆するように形成される波長変換部材は、蛍光体を含む結着材を材料として、メタルマスクやスクリーン版によるスクリーン印刷や孔版印刷により形成されることが好ましい。このように形成することにより、発光素子の周囲に均一な膜厚を有する波長変換部材を形成することが容易にできる。
本実施の形態に用いられるアルミニウム酸化物系蛍光体とは、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された蛍光体であり、LEDチップから発光された可視光や紫外線で励起されて発光する蛍光体である。
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、一般式(Lu1−a−bRaMb)3(Al1−cGac)5O12(但し、RはCeを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素である。MはSc、Y、La、Gdから選択される少なくとも1種の元素であり、0.0001≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0.0001≦a+b<1、0≦c≦0.8である。)で表される蛍光体である。例えば、組成式が(Lu0.99Ce0.01)3Al5O12、(Lu0.90Ce0.10)3Al5O12、(Lu0.99Ce0.01)3(Al0.5Ga0.5)5O12で表される蛍光体である。
本発明で使用される蛍光体は、Nを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnから選択された少なくとも一つの元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、及びHfから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物系蛍光体も利用することができる。窒化物系蛍光体は、赤色系の光を発光可能な蛍光体であり、可視光、紫外線等又は他の蛍光体(例えば、YAG系蛍光体)からの発光を吸収することによって励起され発光する。つまり、この窒化物系蛍光体は、発光素子によって発光された光(例えば、青色光)の一部を吸収して、黄から赤色領域の光を発光する。窒化物系蛍光体を励起する発光スペクトルは、360〜495nmであることが好ましい。さらに、440〜480nm近傍の発光スペクトルを有することが好ましい。窒化物系蛍光体の発光スペクトルは、560〜700nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。さらに、600〜680nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。例えば、Sr2Si5N8:Eu,Pr、Ba2Si5N8:Eu,Pr、Mg2Si5N8:Eu,Pr、Zn2Si5N8:Eu,Pr、SrSi7N10:Eu,Pr、BaSi7N10:Eu,Ce、MgSi7N10:Eu,Ce、ZnSi7N10:Eu,Ce、Sr2Ge5N8:Eu,Ce、Ba2Ge5N8:Eu,Pr、Mg2Ge5N8:Eu,Pr、Zn2Ge5N8:Eu,Pr、SrGe7N10:Eu,Ce、BaGe7N10:Eu,Pr、MgGe7N10:Eu,Pr、ZnGe7N10:Eu,Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb、BaGe7N10:Ceなどが挙げられるがこれに限定されない。
本実施の形態における発光装置は、発光素子が発光した光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光する蛍光体として、ユウロピウムで付活されたアルカリ土類金属珪酸塩を有することもできる。アルカリ土類金属珪酸塩は、青色領域の光を励起光とし、暖色系の混色光を発光する発光装置とすることができる。該アルカリ土類金属珪酸塩は、以下のような一般式で表されるアルカリ土類金属オルト珪酸塩が好ましい。
(2−x−y)SrO・x(Ba,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
(2−x−y)BaO・x(Sr,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0.01<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
ここで、好ましくは、a、b、cおよびdの値のうち、少なくとも一つが0.01より大きい。
次に、本実施の形態におけるアルカリ土類金属珪酸塩からなる蛍光体の製造工程を説明する。アルカリ土類金属珪酸塩の製造のために、選択した組成に応じて出発物質アルカリ土類金属炭酸塩、二酸化珪素ならびに酸化ユウロピウムの化学量論的量を密に混合し、かつ、蛍光体の製造に常用の固体反応で、還元性雰囲気のもと、温度1100℃および1400℃で所望の蛍光体に変換する。この際、0.2モル未満の塩化アンモニウムまたは他のハロゲン化物を添加することが好ましい。また、必要に応じて珪素の一部をゲルマニウム、ホウ素、アルミニウム、リンで置換することもできるし、ユウロピウムの一部をマンガンで置換することもできる。
本実施の形態において、蛍光体として紫外から可視領域の光により励起されて発光する蛍光体も用いることができ、具体例として、以下の蛍光体が挙げられる。
(1)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体;例えば、M5(PO4)3(Cl、Br):Eu(但し、MはSr、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種)、Ca10(PO4)6ClBr:Mn,Euなどの蛍光体。
(2)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体;例えば、BaMg2Al16O27:Eu、BaMg2Al16O27:Eu,Mn、Sr4Al14O25:Eu、SrAl2O4:Eu、CaAl2O4:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Mnなどの蛍光体。
(3)Euで付活された希土類酸硫化物蛍光体;例えば、La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Euなどの蛍光体。
(4)(Zn、Cd)S:Cu、Zn2GeO4:Mn、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、(Mg、Ca、Sr、Ba)Ga2S4:Eu、Ca10(PO4)6FCl:Sb,Mn、や(5)Euで付活された有機錯体蛍光体。
図1は、本形態にかかる半導体装置の模式的な斜視図であり、図5および図6は、本形態にかかる半導体装置の模式的な断面図である。ここで、図5および図6は、図1に示される半導体装置を、貫通孔を含む鉛直面で切断した断面を示す。本形態にかかる半導体素子は、紫外線領域の波長を含む光を発する発光素子である。また、本形態における被覆部材は、発光素子と対面する凹状の内壁面に蛍光体層やフィラー含有層とを有する半球面レンズである。なお、蛍光体層とフィラー含有層を有する被覆部材とするときは、発光素子の側から、蛍光体層、フィラー含有層の順に凹部の内壁面に対して積層される。以上の他は、上述の実施の形態1と同様にして半導体装置を形成する。
本発明の一実施例にかかる発光装置の模式図を図1に示す。図3は、本実施例にかかる発光装置の模式的な断面図である。ここで、図3は、図1に示される発光装置を、貫通孔を含む鉛直面で切断した断面を示す。発光ピークが450nmのIn0.05Ga0.95NのLEDチップを発光装置として利用した。LEDチップは洗浄したサファイヤ基板上にTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜することにより形成させた。
以下、本発明の実施例1の比較例を述べる。支持基板に貫通孔を設けなかった以外は、実施例1と同様に、同じ構成の発光装置を得る。目視にてレンズを確認したところ、エポキシ樹脂硬化時に発生したとみられるアウトガスにより、レンズに曇りが生じていた。また、本比較例で形成させた発光装置に対し、リフロー試験を行ったところ、レンズが支持基板から完全に剥離していたものや支持基板とレンズとの接着性が弱くなっている発光装置が確認された。
以下、本発明の実施例3の比較例を述べる。図7に示されるように、支持基板に貫通孔を設けなかった以外は、実施例3と同様に、同じ構成の発光装置を得る。また、本比較例で形成させた発光装置に対し、リフロー試験を行ったところ、レンズが支持基板から完全に剥離していたものや支持基板とレンズとの接着性が弱くなっている発光装置が確認された。
101・・・被覆部材
102・・・被覆部材の端部
103・・・支持基板
104・・・半導体素子
105・・・サブマウント
106・・・接着剤
107・・・中空部
108・・・貫通孔
109・・・密栓
110・・・蛍光体層
111・・・フィラー含有層
Claims (8)
- 半導体素子を配置する支持基板と、その支持基板に配置される被覆部材とを備えており、前記支持基板と前記被覆部材とからなる中空部に前記半導体素子が収納される半導体装置であって、
前記支持基板は、その上面から下面にかけて先細りに開口された貫通孔を有しており、
前記貫通孔は、前記半導体素子が配置される支持基板上面の開口面積が支持基板下面の開口面積よりも大きくされており、低融点ガラス、半田、ホットメルト、樹脂あるいは低融点合金から選択された少なくとも一種からなる密栓により密封されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記中空部は、不活性ガスが封入されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記被覆部材は、ロー材、ポリイミド、エポキシ樹脂、セラミック、ガラス、ホットメルト、変性シリコーンあるいはフッ素樹脂から選択された少なくとも一種からなる材料により前記支持基板に接着されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記支持基板は、光反射面を有している請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は、主発光ピーク波長が350nmから480nmの範囲内である発光スペクトルの光を発する発光素子である請求項1に記載の半導体装置。
- 前記被覆部材は、前記発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質が含有された波長変換部材を備える請求項5に記載の半導体装置。
- 前記波長変換部材と前記被覆部材との間に、前記発光素子からの光のうち、400nm以下の波長の光を反射あるいは吸収する部材を有する請求項6に記載の半導体装置。
- 前記蛍光物質は、少なくとも前記発光素子からの光により励起され可視光領域の光を発する二種以上の蛍光体からなり、それらの蛍光体の発光が合成され白色系の混色光を発する請求項6に記載の半導体装置。
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