JP4786886B2

JP4786886B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4786886B2
Application number: JP2004234739A
Authority: JP
Inventors: 有真藤田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: JP2006054313A

Description

本発明は、たとえば紫外光または青色の光を発光する光源の光を白色その他の色の光に変換しながら輝度を大きくすることができると共に、発光装置から紫外光が漏れて害を及ぼさないようにすることができる半導体発光装置に関する。さらに詳しくは、紫外光を所望の可視光に変換して高輝度の半導体発光装置としても、また、ディスプレイや電灯などの照明に用いても人体に紫外線の影響などを受けることのない半導体発光装置に関する。

青色発光または紫外光を発光する半導体発光素子（以下、ＬＥＤともいう）の表面に発光色変換部材を設けて、白色発光装置にするなど、光源の発光色を変換した発光装置が利用されている。このような半導体発光装置は、たとえば図６にランプ型（いわゆる砲弾型）発光装置の例が示されるように構成されている。

すなわち、図６において、板状体から形成された第１のリード５１の先端部に板状体の端面から形成された凹部５１ａ内にＬＥＤチップ５３がボンディングされ、その一方の電極は第１のリード５１と電気的に接続され、他方の電極が、同様に板状体から形成された第２のリード５２の先端部とワイヤ５４により電気的に接続され、さらに第１のリードの凹部５１ａ内に発光色変換部材５５が充填され、その周囲が透光性樹脂５６により被覆される構造になっている（たとえば特許文献１参照）。この発光色変換部材５５としては、たとえばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系の蛍光物質を、たとえば透光性樹脂などに混入したものが用いられている。

しかし、このような無機蛍光材料を用いた発光色変換部材では、発光寿命が長いため、輝度を上げようとして強い励起光を照射してもそれを素早く必要な光に変換することができず、吸収飽和という現象が起きることにより、輝度を充分に上げることができない。さらに、発光素子としては、紫外光を発光させる方が発光効率を上げることができるが、紫外光などの波長の短い光や、輝度の大きい光に対しては、発光色変換部材の基材として用いられる透光性樹脂が変色して変換した光の色が変ったり、輝度が低下したり、樹脂は熱放散性が悪く温度上昇に伴って発光色の色調が変ったりするという問題がある。

一方、近年、界面活性剤で表面を覆った半導体超微粒子は高効率の発光を示すことが見出され、種々の研究が行われている。そして、たとえば半導体超微粒子をシリカ系ガラス内に内包するガラス粒子にすることにより、耐光性、経時安定性などに優れた蛍光体材料が開示されている。そして、半導体超微粒子の粒径を変えることにより、変換色を特定できることから、たとえばディスプレイの表示面にこの粒径の異なる赤、緑、青の３原色の蛍光材料を順次充填することにより、カラーのディスプレーパネルを実現することが開示されている（たとえば特許文献２参照）。
特開２００３−１２４５３０号公報特開２００３−３２１２２６号公報（図３）

前述のように、たとえば白色など、所望の可視光の光源とするには、半導体超微粒子を用いることが有効と考えられるが、たとえば半導体超微粒子を内包するガラス粒子を樹脂で固着すると光源の紫外光により変色しやすく、従来の蛍光体を、そのままこの半導体超微粒子を内包するガラス粒子と置き換えることができない。また、このガラス粒子を直接焼結してガラス体にしようとすると、６００℃程度以上の温度で焼結しなければならず、前述のように、ＬＥＤチップを被覆するように発光色変換部材を設けようとすると、ＬＥＤチップの温度が６００℃程度以上まで上昇し、とくに電極は３００℃程度で破損するため、実用化することができない。さらに、ゲル化したガラス粒子の凝集したままの状態では、多孔質ガラス体となって、隙間の屈折率差により光が反射して充分に取り出すことができず、発光効率が大幅に低下する。そのため、ＬＥＤチップにこのようなガラス粒子を結合する方法が確立されておらず、そのような組合せの半導体発光装置は得られていない。

さらに、このような半導体超微粒子は紫外光を可視光に変換するが、半導体超微粒子の量により、半導体発光素子チップから発光する紫外光を全て吸収するとは限らず、吸収されない紫外光はそのまま放射されることになる。このような半導体発光装置は、ディスプレイ、照明装置、表示ランプなどに用いられるが、いずれの用途においても、人間が直接肉眼で視認するものである。そのため、半導体発光装置から紫外光が発せられると、直接人間の目に当たり、視力が低下したり、目以外にも紫外線による影響を無視することができないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決し、ＬＥＤチップに直接半導体超微粒子を内包した発光色変換部材を設ける構造を開発し、変換効率が優れ、高輝度の白色などの所望の色の可視光に変換し得る半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、紫外光を発光する半導体発光素子チップに発光色変換部材を設けて、所望の可視光の半導体発光装置とする場合でも、紫外光がそのまま照射されて半導体発光装置を観察する者に危害を及ぼさない構造とした半導体発光装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、発光色変換部材を透過して、なおＬＥＤチップから照射される紫外光を利用して抗菌、脱臭、有機物などによる汚れなどの防止、などをすることができる構造の半導体発光装置を提供することにある。

本発明による半導体発光装置は、発光素子チップ（ＬＥＤチップ）と、該発光素子チップの少なくとも光発射面側に設けられる発光色変換部材とからなり、前記発光色変換部材は、粒径が２〜２０ｎｍの蛍光発光性半導体超微粒子を内包する発光色変換ガラス粒子を有しており、前記発光色変換ガラス粒子を凝集させた多孔質ガラス体の隙間に、紫外光に耐性のある樹脂を充填することにより形成されている。

前記発光素子チップが紫外光を発光する半導体発光素子であり、前記発光色変換部材が、前記発光色変換ガラス粒子の焼結体であることにより、ガラスの透明性がよくなり、紫外光を効率よく可視光に変換することができる。

前記発光素子チップがＧａＮからなるバッファ層を有する構成にすることができる。

前記発光色変換ガラス粒子が、粒径７ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包し、または粒径４ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包し、または粒径３ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包する構成にすることができる。

本発明によれば、ＬＥＤチップに蛍光発光性の半導体超微粒子がガラス体を介して設けられているので、無機系の発光色変換部材と異なり、発光寿命が１０ｎｓｅｃ（ナノ秒）程度と無機系発光色変換部材より５桁程度も素早く、紫外光を必要な色の光に変換し、再び光を吸収することができるので、非常に輝度の大きい半導体発光装置が得られる。しかも、半導体超微粒子は、その粒径を大きくすれば波長の長い光に変換し、粒径を小さくすれば波長の短い光に変換するため、たとえば赤、緑、青の３原色に変換する半導体超微粒子を分散させておくことにより、その混合色で白色に変換して、白色光を放射することができる。

また、本発明による発光色変換部材の光発射面側に、直接または他の透光性部材を介して紫外光吸収膜が設けられる発明によれば、青色または紫外光を可視光に変換する発光色変換部材で変換されない残りの紫外光は全て放射されることになるが、この可視光に変換されない紫外光は紫外光吸収膜により全て吸収されるため、ディスプレイや照明などに用いる場合でも、人体に何らの危害を及ぼすことがなくなる。とくに、半導体超微粒子は、波長が３４０〜４１０ｎｍの紫外光を変換するのに適しており、また、半導体超微粒子は非常に小さい微粒子がガラス体の中に分散されるため、半導体超微粒子に当たらないで発光色変換部材を通り抜ける紫外光があり得るが、そのような紫外光を全て吸収して、ディスプレイを見たり、照明を浴びたりしても、人間に何らの危害を与えることがない。すなわち、半導体超微粒子を発光色変換部材として用いる場合に、とくに紫外光吸収膜を設ける効果が大きい。

さらに、その紫外光吸収膜を光触媒の作用を有する半導体材料により形成することにより、紫外光を全て吸収して、人体に害を及ぼさないのみならず、その紫外光により、有機物の被着などによる汚染を防止したり、抗菌や脱臭などを同時に行うことができるため、環境の浄化につながり非常に効果がある。この場合、とくに発光素子チップの半導体層に直接発光色変換部材および紫外光吸収膜が設けられたり、発光素子チップと接触するように発光色変換部材が設けられ、その表面に直接または他の透光性部材を介して紫外光吸収膜が設けられたりすることにより、発光素子チップから発せられる光が屈折率の小さい空気中に一旦出ることなく、屈折率の大きい媒体を介して紫外光吸収膜に達するため、反射などすることなく発光色変換部材および紫外光吸収膜に効率よく進み、紫外光を可視光に変換しながら残余の紫外光を吸収することができる。

さらに、半導体層または基板裏面に直接発光色変換部材を設けることにより、ＬＥＤチップの電極を形成する前に発光色変換部材を設けることができるため、焼結してガラス体を透明にすることができる。さらに、ガラス粒子を凝集させた多孔質ガラス体の隙間にシリコーン樹脂などの耐紫外光樹脂を充填することにより、ガラス粒子とそれ以外との屈折率差がなくなり、光を有効に取り出すことができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光装置について説明をする。本発明による半導体発光装置は、図１に一実施形態のウェハ状態（図１では２個分の発光素子チップが図示されている）の断面説明図が示されるように、発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップともいう）１の少なくとも光発射面側に発光色変換部材２が設けられ、その発光色変換部材２は、粒径が２〜２０ｎｍの蛍光発光性半導体超微粒子２１ａ〜２１ｃを内包するガラス体２２からなっている。

ＬＥＤチップ１は、たとえば図２に後述する製造工程で一例の断面構成例が示されるように、窒化物半導体を用いたＬＥＤとして形成されているが、積層された半導体層の表面に発光色変換部材２が設けられている。この例では、サファイア基板側に設けられるバッファ層などのＧａＮ層が紫外光を吸収するため、できるだけＧａＮ層を除去すべく、基板とＧａＮ層の一部が除去されているが、基板や半導体層による光の吸収が問題にならない場合には、半導体層を積層する基板の裏面に直接発光色変換部材２が設けられてもよい。

ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物(窒化物)からなる半導体をいう。

発光色変換部材２は図１（ａ）に全体の断面説明図、図１（ｂ）にその部分拡大説明図、図１（ｃ）に一般的な半導体超微粒子がガラス体に内包された１個の発光色変換ガラス粒子２３の断面説明図が、それぞれ示されるように、発光色変換ガラス粒子２３が焼結などにより結合することにより、半導体超微粒子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）がシリカ系などのガラス体２２内に分散した状態に形成されている。

半導体超微粒子２１は、水に単分散し、発光効率が３％以上のものが好ましく、たとえば直接遷移を示すII-VI族半導体で、可視領域で発光するもの、たとえば硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などを用いることができる。この半導体超微粒子２１の粒径は、２〜２０ｎｍ、さらに好ましくは３〜１０ｎｍ程度に形成される。粒径が大きいほど、いわゆる量子サイズ効果により、発光色が長波長側にシフトする。この半導体超微粒子２１を作製するには、たとえばセレン化カドミウムの超微粒子を作製する場合、アルゴンガス雰囲気下で、界面活性剤としてのチオグリコリック酸（ＨＯＯＣＣＨ₂ＳＨ）の存在下で過塩素酸カドミウム水溶液を撹拌しながら、ＮａＨＴｅ溶液を加えることにより、セレン化カドミウムのクラスターが生成し、この水溶液を大気雰囲気中でたとえば３０時間程度還流することにより、粒子が成長して粒径が７ｎｍ程度の超微粒子に成長する。この還流時間を長くするほど粒径が大きくなり、たとえば赤色発光用には粒径を７ｎｍ程度に、緑色発光用には粒径を４ｎｍ程度に、青色発光用には、粒径を３ｎｍ程度に形成される。

この蛍光発光性半導体超微粒子２１の周囲にシリカ系のガラス体２２を被覆して発光色変換ガラス粒子２３を製造するには、たとえばいわゆるストーバー法と呼ばれるゾル−ゲル法により製造することができる。すなわち、たとえばケイ酸ガラス体２２により被覆するには、セレン化カドミウムを含む反応溶液を水とエタノールの混合液に加え、よく撹拌した後に、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）を加え、さらにアンモニアを加えて撹拌しながら反応させると、半導体超微粒子２１の周りにケイ酸ガラス体２２が成長し、１時間程度反応させ、固体生成物を遠心分離により取り出すことにより、図１（ｃ）に示されるようにほぼ球形で、たとえば粒径Ｄが２００ｎｍ程度の発光色変換ガラス粒子２３が形成される。

このガラス粒子の粒径Ｄは、反応時間を長くしても、沈降せずに、粒径が１００ｎｍ〜１μｍ程度で均一な大きさに保たれる。すなわち、半導体超微粒子２１として粒径ｄが７ｎｍ程度のセレン化カドミウム超微粒子（赤色用超微粒子）２１ａを用い、反応させることにより、赤色用超微粒子２１ａの周囲にシリカ系ガラス２２ａが成長した赤色変換ガラス粒子２３ａとなり、半導体超微粒子に粒径ｄが４ｎｍ程度のセレン化カドミウム超微粒子（緑色用超微粒子）２１ｂを用い、反応させることにより、緑色用超微粒子２１ｂの周囲にシリカ系ガラス２２ｂが成長した緑色変換ガラス粒子２３ｂとなり、半導体超微粒子に粒径ｄが３ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子（青色用超微粒子）２１ｃを用い、反応させることにより、青色用超微粒子２１ｃの周囲にシリカ系ガラス２２ｃが成長した青色変換ガラス粒子２３ｃが得られる。この反応の終了後、固体生成物を遠心分離により取り出すことにより、湿潤した粉末状の発光色変換ガラス粒子２３が得られる。

なお、これらの発光色変換ガラス粒子２３の粒径Ｄは、反応時間を長くすれば大きくなり、反応時間を変えて各色変換用ガラス粒子の大きさを同じにすることもできるし、各色について同じ時間反応させれば、半導体超微粒子２１の大きさの相違に基づき図１（ｂ）に示されるように、赤色変換ガラス粒子２３ａが一番大きく、青色変換ガラス粒子２３ｃが一番小さくなるが、この大きさの制約はない。また、ガラス材料としてシリカ系ガラスを用いたが、他のガラス材料を用いることもできる。しかし、半導体超微粒子の材料によって、反応しやすいＰｂやＢｉなどを含む低融点ガラスは避けることが好ましい。

このようにして得られた粉末状の赤色変換ガラス粒子２３ａと、緑色変換ガラス粒子２３ｂと、青色変換ガラス粒子２３ｃとを混合して、たとえば８０〜２００℃で、２時間程度の加熱を行うことにより、ゾル-ゲル反応がさらに進んで、アルコールと水が脱離して、網目構造が発達した多孔質のガラス体２２内に赤色用超微粒子２１ａ、緑色用超微粒子２１ｂ、および青色用超微粒子２１ｃが分散した白色変換部材２が形成される。すなわち、それぞれの超微粒子で、紫外光が赤色、緑色および青色の光に変換され、変換された赤、緑、青の色の光が混色されることにより、白色光となる。

つぎに、ＬＥＤチップ１の具体的構造例の説明と共に、この半導体発光装置の製法を、図２を参照しながら説明する。なお、図１では、ウェハのうち２個のチップ部分が図示され、図２においては、１個のチップだけが図示されているが、実際には、ウェハの状態で多数個のチップ分が同時に形成され、最後に各チップに分断される。

まず、図２（ａ）に示されるように、たとえばサファイア基板１１上に、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層１２が０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層１３が１〜３μｍ程度、その上に障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)となるＳｉをドープしたＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｎ形層１４が１〜５μｍ程度、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば１〜３ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ系化合物からなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層１５が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層とからなるｐ形層１６が合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより、半導体積層部１７が形成されている。

なお、アンドープの高温バッファ層１３は、積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を良くするため、高温で成長する最初の層をアンドープにしているもので、基板が導電性の場合にはアンドープにはしない。また、ｐ形層１６は、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層１５側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＡｌＧａＮ系化合物層またはＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層１４も他のチッ化ガリウム系化合物半導体層または複層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層１４とｐ形層１６とで活性層１５が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。

この後、図２（ｂ）に示されるように、半導体積層部上に、前述のゲル化した粉末状の赤色変換ガラス粒子２３ａと、緑色変換ガラス粒子２３ｂと、青色変換ガラス粒子２３ｃ混合物を塗布して、さらに、たとえば８０〜２００℃で、２時間程度の加熱を行うことにより、ゾル-ゲル反応を進展させて、網目構造が発達した多孔質体を形成し、さらに、６００℃以上で焼結することにより、透明なガラス体２２内に赤色用超微粒子２１ａ、緑色用超微粒子２１ｂ、および青色用超微粒子２１ｃが分散した白色変換部材２が形成される。その結果、ｐ形半導体層１６上に半導体超微粒子２１を内包したガラス体２２からなる発光色変換部材２が形成される。この発光色変換部材２は、後述するように新たな基板とするため、５０〜２００μｍ程度の厚さに形成される。

その後、図２（ｃ）に示されるように、ウェハの表裏を逆転させてサファイア基板１の裏面側からレーザ光を照射し、サファイア基板１と半導体積層部との境界のチッ化ガリウム層を加熱して、サファイア基板を剥離する。その後、剥離した部分の半導体層を研磨などにより除去して、図２（ｄ）に示されるようにｎ形層１４を露出させる。発光する光が紫外光の場合には、ＧａＮ層により紫外光が吸収されるため、できるだけＧａＮ層は除去した方がよいためであるが、青色の場合には、高温バッファ層１３がｎ形層になっていればそのｎ形層でもよい。

その後、図２（ｅ）に示されるように、半導体積層部１７の一部をエッチング除去してｐ形層１６を露出させる。その後、図２（ｆ）に示されるように、露出したｐ形層１６にｐ側電極１８を、ｎ形層１４の表面にｎ側電極１９を形成する。そして、各チップに分割する。この際、図示されていないが、切断部分に発光色変換部材２の表面側から、厚いブレードでハーフカットして凹溝を形成することにより、光出射面側を狭くした凸型の発光装置とすることができる。

前述の例では、基板およびバッファ層が除去されて露出するｎ形層１４の露出面にｎ側電極１９が、半導体積層部１７の一部がエッチング除去されて露出するｐ形層１６にｐ側電極が、それぞれ形成されている。こうすることにより、基板を除去することができるため薄くすることができると共に、発光する光が紫外光の場合には、バッファ層がＧａＮ化合物により形成されており、紫外光を吸収する性質を有しているが、その光を吸収するＧａＮ層を除去することができるため、発光効率を向上させることができる。しかし、ＬＥＤの発光色、または積層する半導体層や基板の光の吸収特性によっては、このような剥離は必ずしも必要ではない。この場合には、前述の半導体積層部を形成した後に、サファイア基板１１の裏面に発光色変換部材２を形成して、その後に、通常の半導体積層部上に電極を形成する方法と同様の方法で製造することができる。

本発明の半導体発光装置によれば、たとえば紫外光を発光するＬＥＤチップの少なくとも光発射面側に、半導体超微粒子をガラス体内に分散させた発光色変換部材が設けられることにより、紫外光を可視光に変換しているため、従来のＹＡＧなどの金属酸化物や硫化物からなる蛍光体と比べて、発光寿命が短く、励起光強度に比例して発光光度を高めることができる。しかも、この半導体超微粒子は、その粒径により発光波長を変えられるため、任意の発光色に変換することができるし、前述の例のように、複数種類の発光色に変換してそれぞれの色の光を混色することにより、さらに好みの色の光にすることができ、演色性の高い半導体発光装置が得られる。さらに、前述の例では、積層した半導体層の表面に発光色変換部材２を形成しているため、平らな面上に均一な厚さで形成されると共に、電極などがまだ設けられていないため、ガラス体を充分に焼結することができ、透明なガラス体に半導体超微粒子を分散させた高効率な発光色変換部材をＬＥＤと結合することができる。

前述の例は、蛍光発光性半導体超微粒子をＬＥＤチップの光発射面側に設けることにより、所望の発光色に変換した半導体発光装置であったため、半導体超微粒子のバンドギャップエネルギーより波長の短い（エネルギーの高い）波長の光を照射することにより、粒径に応じた波長の光を発光する。そのため、可視光を発光させるためには、たとえば波長が３４０〜４１０ｎｍの紫外光を発光させることが、効率よく輝度の大きい所望の発光色の光を得ることができる。そこで、前述のように、ＬＥＤチップとして、このような波長領域の紫外光を発光するＬＥＤが用いられる場合が多い。しかし、発光色変換部材２の厚さが薄い場合には、発光する紫外光が全て半導体超微粒子により吸収されないで、そのまま紫外光が外部に照射される危険性がある。このような半導体発光装置は、ディスプレイの表示パネルに用いられたり、電灯の代りとしての照明用などに用いられたり、電子機器のパイロットランプなどに用いられたりするため、紫外光が照射されると、人間の目に入りやすいという問題がある。また、直接目に入らなくても、人体には必ずしも有益ではない。このような問題を解決する半導体発光装置が図３に示されている。

すなわち、図３に示される例は、図１と同様の半導体発光装置における発光色変換部材の少なくとも光発射面側に、紫外光吸収膜３が設けられている。紫外光吸収膜３としては、酸化チタン、酸化亜鉛、ストロンチウムチタネート、バリウムチタネートなどを用いることができる。これらは、バンドギャップエネルギーが大きく紫外光を効率よく吸収することができて、光触媒作用をするため、その紫外光を利用して有機物による汚れの防止や抗菌、脱臭などを行うことができ、環境浄化の観点からも好ましい。なお、紫外光吸収膜３以外の構造は図１（ａ）に示される構造と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

図４は、紫外光吸収膜３として、光触媒作用をする場合のさらに応用例を示す例で、発光色変換部材２がＬＥＤチップ１から遠ざかるにつれて表面積が大きくなるように末広がりの形状に形成されている。すなわち、たとえば液晶表示装置のバックライトや、電飾看板などに用いる場合には、面状光源が必要となり、通常は導光板などの側面から光を導入して、導光板の表面から一様な輝度の光を放射するように形成されるが、その導光板の代りに発光色変換部材２を用いることにより、ＬＥＤチップ１の発光を面状にしながら、広い発光面の全面に光触媒作用をする紫外線吸収膜３を設けることができ、光触媒作用を効果的に行うものである。このような構成にすることにより、広い範囲で光触媒の作用をすることができるのみならず、ＬＥＤから発光する光を空気中に放射してから導光板に導入したり、光触媒に光を当てたりするものではないため、効率よく面状光源にしたり、光触媒に紫外光を吸収させることができ、発光する光を非常に有効に利用することができる。

すなわち、屈折率の異なる媒質に光が進む場合に、屈折率の大きい媒質から屈折率の小さい媒質に進む場合、小さな入射角度でも全反射する光が多く、ＬＥＤから空気中に出射する際に全反射して有効に利用することができない光が多くなるが、ＬＥＤチップ１の半導体層も、主としてガラス体からなる発光色変換部材２も紫外光吸収膜３も、いずれも屈折率が大きいため、全反射することなく紫外光吸収膜３に達し、有効に光触媒作用を営むことができ、広い面積で光触媒作用をすることができる。なお、図４において、４は光反射膜で発光色変換部材２の表面側のみから光を出射することができるように形成されている。このような光触媒を設ける構成は、とくに街頭に設けられる電飾看板の面状光源のように、塵埃による汚れを防止する必要のある場合などに効果が大きい。

図１および３に示される半導体発光装置は、ＬＥＤチップ１の半導体層または基板面に直接半導体ナノ粒子（超微粒子）を内包するガラス体からなる発光色変換部材が設けられる構造であったが、このような平坦な部分に設ける場合に限定されることなく、たとえば図５に示されるランプ型（いわゆる砲弾型）の発光装置にも応用することができる。

すなわち、図５において、図６に示される構造と同様の構造であるが、ドーム状に形成される保護部材が、樹脂ではなく、前述の半導体ナノ粒子を内包する発光色変換ガラス粒子２３と、そのガラス粒子２３の隙間にシリコーン樹脂などの紫外光に対して耐性のある樹脂２４が充填された発光色変換部材２により形成され、前述のＬＥＤチップ１の周囲のみに発光色変換部材が設けられる構造ではない点で異なる。発光色変換ガラス粒子２３は、前述のように、赤色変換用ガラス粒子２３ａ、緑色変換用ガラス粒子２３ｂ、および青色変換用ガラス粒子２３ｃが白色になるように混合されている。

図５において、板状体から形成された第１のリード５１の先端部に板状体の端面から形成された凹部５１ａ内にＬＥＤチップ１がボンディングされ、その一方の電極は第１のリード２５と電気的に接続され、他方の電極が、同様に板状体から形成された第２のリード５２の先端部とワイヤ５４により電気的に接続され、その周囲が発光色変換部材２により被覆される構造になっている。この発光色変換部材２は、前述の半導体ナノ粒子を内包した発光色変換ガラス粒子２３をゲル化した状態で、ドーム状凹部が形成された型内にリードフレームでＬＥＤチップ１がマウントされたものを挿入し、８０〜２００℃、２時間程度、加熱乾燥することにより、図５（ｂ）に部分拡大図が示されるように、赤色変換用ガラス粒子２３ａ、緑色変換用ガラス粒子２３ｂ、青色変換用ガラス粒子２３ｃが凝集した多孔質ガラス体とされ、その後に、その空隙内にシリコーン樹脂２４などの紫外光に対しても耐性のある樹脂を充填することにより得られる。そして、その外表面に紫外光吸収膜３が形成されている。

この多孔質体内に樹脂などを充填するには、たとえば型内で多孔質ガラス体を形成したのに引き続いて、型内を密閉しておいて型の一端部から樹脂を注入しながら、型の他端部から真空引きするなどの方法により空隙内に充填することができる。このような構造にすることにより、半導体ナノ粒子を内包するガラス粒子を用いながら、高温で焼結することなく発光装置を形成することができ、電極を形成した後でも発光色変換部材で被覆することもできる。さらに、シリコーン樹脂などの耐紫外光性で弾力性のある物質がガラス粉末の間に介在しているため、紫外光に対しても変色したり劣化することがなく、非常に安定した発光色変換部材でＬＥＤチップを被覆することができる。なお、ＬＥＤチップ１が紫外光発光素子でなかったり、紫外光を発光する素子でも、充分な厚さの発光色変換部材２が設けられている場合には、必ずしも紫外光吸収膜３が設けられる必要はない。

このように、半導体ナノ粒子を内包したガラス粒子を凝集した多孔質ガラス体内に、紫外光に対して耐性のある樹脂を充填する構造にすれば、電極を形成した後の半導体発光装置にも、紫外光に対して安定性があると共に、変換効率の優れた発光色変換部材を用いた半導体発光装置を得ることができる。

本発明による半導体発光装置の一実施形態の断面説明図である。図１のＬＥＤチップの断面説明図である。本発明による半導体発光装置の他の実施形態を示す断面説明図である。本発明による半導体発光装置の他の実施形態を示す断面説明図である。図３に示される半導体発光装置の変形例を示す断面説明図である。従来の発光色変換部材を用いた半導体発光装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ＬＥＤチップ
２発光色変換部材
３紫外光吸収膜
２１半導体超微粒子
２２ガラス体
２３発光色変換ガラス粒子

Claims

発光素子チップと、該発光素子チップの少なくとも光発射面側に設けられる発光色変換部材とからなり、前記発光色変換部材は、粒径が２〜２０ｎｍの蛍光発光性半導体超微粒子を内包する発光色変換ガラス粒子を有しており、前記発光色変換ガラス粒子を凝集させた多孔質ガラス体の隙間に、紫外光に耐性のある樹脂を充填することにより形成されてなる半導体発光装置。
前記発光素子チップが紫外光を発光する半導体発光素子であり、前記発光色変換部材が、前記発光色変換ガラス粒子の焼結体である請求項１記載の半導体発光装置。
前記発光素子チップがＧａＮからなるバッファ層を有する請求項１または２記載の半導体発行装置。
前記発光色変換ガラス粒子が、粒径７ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包している請求項１、２または３記載の半導体発光装置。
前記発光色変換ガラス粒子が、粒径４ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包している請求項１、２または３記載の半導体発光装置。
前記発光色変換ガラス粒子が、粒径３ｎｍのセレン化カドミウム超微粒子を内包している請求項１、２または３記載の半導体発光装置。