JP6255235B2 - 発光チップ - Google Patents

Description

本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光チップに関する。

ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等を含む発光デバイスが実用化されている。これらの発光デバイスは、通常、電圧の印加によって光を放出する発光層が形成されたチップを有する発光チップを備える。かかるチップの製造は、先ず、結晶成長用基板上における格子状の分割予定ラインで区画された各領域に、発光層としてエピタキシャル層（結晶層）を成長させる。その後、結晶成長用基板を分割予定ラインに沿って分割して個片化することで、個々の発光チップ用のチップが形成される。

発光チップにおいて、緑や青色の光を出射する発光層がＩｎＧａＮ系のチップでは、サファイアが結晶成長用基板に一般的に用いられ、このサファイア基板上に順次ｎ型ＧａＮ半導体層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させる。そして、ｎ型ＧａＮ半導体層とｐ型ＧａＮ半導体層とのそれぞれに外部取り出し用電極が形成される。

かかるチップの裏面側（サファイア基板側）をリードフレームに固定し、チップの表面側（発光層側）をレンズ部材で覆うことにより、発光ダイオードは形成される。このような発光ダイオードでは、輝度の向上が重要な課題とされており、これまでにも光の取り出し効率を高めるための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１０６７０号公報

ところで、電圧の印加によって発光層で生じる光は、主に、発光層を含む積層体の２つの主面（表面及び裏面）から放出される。例えば、積層体の表面（レンズ部材側の主面）から放出された光は、レンズ部材等を通じて発光ダイオードの外部に取り出される。一方で、積層体の裏面（サファイア基板側の主面）から放出された光は、サファイア基板を伝播し、その一部は、サファイア基板とリードフレームとの界面等で反射して積層体に戻る。

例えば、切削時の加工性向上等を目的としてチップに薄いサファイア基板を用いると、積層体の裏面と、サファイア基板及びリードフレームの界面との距離は短くなる。この場合、サファイア基板とリードフレームとの界面で反射して積層体に戻る光の割合は、サファイア基板が厚い場合と比較して高くなる。積層体は光を吸収するので、このように積層体に戻る光の割合が高くなると、発光ダイオードの光の取り出し効率は低下してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光チップを提供することを目的とする。

本発明の発光チップは、発光層を表面に備えたチップと、チップの裏面に透光性を有する樹脂で接着され且つ発光層から出射された光を透過する透光性部材とを備え、透光性部材のチップとの当接面には、透光性部材の側面及び当接面に露出する溝が形成されており、溝の溝幅はチップ長辺側の１辺の長さよりも小さく、溝は、透光性部材の当接面の全面積に対して溝が形成される領域の割合となる除去面積比率が２〜５割に形成されていること、を特徴とする。

この構成によれば、チップの裏面に接着された透光性部材におけるチップとの当接面に溝を形成したので、溝の内部空間の屈折率を透光性部材の屈折率より小さくすることができ、透光性部材に入射する光に比べ、溝に入射する光の全反射する角度を広くすることができる。これにより、透光性部材を透過してから反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、チップから出る光の割合を多くすることができ、光の取り出し効率を高めることができる。更に、溝への入射時及び出射時に光の散乱を発生させることができ、透光性部材の側面から出る光の割合を多くすることができる。また、上記除去面積比率によれば、発光チップの輝度を向上させることができ、チップと透光性部材との装着安定性を良好に維持することができる。

また、本発明の発光チップでは、溝は、透光性部材の当接面にクロス形状に形成されているとよい。この構成によれば、光の取り出し効率をより良く高めることができる。

また、本発明の発光チップでは、チップは、サファイア基板の上にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されても良い。この構成によれば、青色や緑色の光を放つ発光チップにおいて、光の取り出し効率を高めることができる。また、サファイア基板を薄くしても、透光性部材の厚さに応じて、反射光を発光層から外れた位置へ入射できるので、光の取り出し効率を低下させることなく薄いサファイア基板を利用でき、薄い結晶成長用基板による加工性を維持することができる。

本発明によれば、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光チップを提供できる。

実施の形態に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図である。 上記発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。 上記発光ダイオードが有する透光性部材の概略斜視図である。 比較構造に係る発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。 実施例１〜７及び比較例に係る透光性部材の平面図である。 比較例、実施例１〜７の輝度向上率の測定結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、実施の形態に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。図１に示すように、発光ダイオード１は、ベースとなるリードフレーム１１と、リードフレーム１１に支持固定される発光チップ１２とを備えている。

リードフレーム１１は、金属等の材料で円柱状に形成されており、一方の底面に相当する裏面側には、導電性を有する２本のリード部材１１１ａ，１１１ｂが設けられている。リード部材１１１ａ，１１１ｂは互いに絶縁されており、それぞれ発光ダイオード１の正極、負極として機能する。このリード部材１１１ａ，１１１ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。

リードフレーム１１の他方の底面に相当する表面１１ａには、互いに絶縁された２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続端子１１２ａとリード部材１１１ａとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。また、接続端子１１２ｂとリード部材１１１ｂとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。このため、接続端子１１２ａ，１１２ｂの電位は、それぞれ、リード部材１１１ａ，１１１ｂの電位と同程度になる。

発光チップ１２は、リードフレーム１１の表面１１ａであって、接続端子１１２ａと接続端子１１２ｂとの間に配置されている。図２に示すように、発光チップ１２は、チップ１４と、このチップ１４の裏面１４ｂに接着された透光性部材１５とを有する。チップ１４は、平面形状が矩形状のサファイア基板１４１と、サファイア基板１４１の表面１４１ａに設けられた積層体１４２とを備えている。積層体１４２は、ＧａＮ系の半導体材料を用いて形成される複数の半導体層（ＧａＮ半導体層）を含む。

積層体１４２は、電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）、発光層となる半導体層（例えば、ＩｎＧａＮ層）、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）を順にエピタキシャル成長させることで形成される。また、サファイア基板１４１には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のそれぞれと接続され、積層体１４２に電圧を印加する２個の電極（不図示）が形成される。なお、これらの電極は、積層体１４２に含まれても良い。

透光性部材１５は、サファイア基板からなり、発光層から出射された光を透過可能に構成されている。透光性部材１５は、サファイア基板１４１と同等以上の厚みを有することが望ましい。透光性部材１５の表面は、チップ１４の裏面１４ｂに当接する当接面１５ａとなり、当接面１５ａとチップ１４の裏面１４ｂとが樹脂（不図示）によって接着される。この樹脂は、発光層から出射された光を透過するダイボンディング剤等の樹脂材料からなる。透光性部材１５の裏面１５ｂは、リードフレーム１１の表面１１ａに上記樹脂と同じ樹脂（不図示）によって接着される。

透光性部材１５の当接面１５ａ及び裏面１５ｂの外形形状は、平面視で、チップ１４と略同一の矩形状にそれぞれ形成され、相互に平行となるように配設されている。透光性部材１５は、当接面１５ａ及び裏面１５ｂの各四辺を連結する４つの側面１５ｃを備えている。各側面１５ｃは、当接面１５ａ及び裏面１５ｂに垂直に形成されている。

図３は、透光性部材を上から見た概略斜視図である。図３に示すように、透光性部材１５の当接面１５ａには溝１６が形成され、本実施の形態では、溝１６がクロス状に２本形成されている。具体的には、各溝１６は、当接面１５ａを形成する四辺に平行に延在し、相互に直交するように形成されている。各溝１６の延在方向両端は、当接面１５ａを形成する四辺の中央にそれぞれ位置して開放し、これにより、各溝１６の延在方向両端は透光性部材１５の側面１５ｃに露出している。なお、各溝１６は、当接面１５ａを上方から除去するように形成され、透光性部材１５の当接面１５ａにも露出している。

溝１６の溝幅ｗは、チップ１４の四辺を形成する長辺側の１辺１４ｃの長さよりも小さく形成されている。また、透光性部材１５の当接面１５ａの全面積に対し、溝１６が形成される領域の割合（以下、「除去面積比率」と称する）は、約２割〜５割に設定することが好ましい。なお、溝１６は、クロス状に２本に限られず、２本の溝１６のうち、１本を省略して当接面１５ａに１本だけ形成するようにしたり、所定間隔を開けて平行に２本形成したりしてもよい。また、溝幅ｗがチップ１４の１辺１４ｃの長さよりも小さく、透光性部材１５の当接面１５ａ及び側面１５ｃに露出する限りにおいて、溝１６を３本以上形成したり、交差する２本の溝１６の角度を直角以外の角度としてもよい。

図１に戻り、リードフレーム１１に設けられた２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ、導電性を有するリード線１７ａ，１７ｂを介して、発光チップ１２の２個の電極に接続されている。これにより、リード部材１１１ａ，１１１ｂに接続される電源の電圧が積層体１４２（図２参照）に印加される。積層体１４２に電圧が印加されると、発光層となる半導体層には、ｎ型半導体層から電子が流れ込むと共に、ｐ型半導体層から正孔が流れ込む。その結果、発光層となる半導体層において電子と正孔との再結合が生じ、所定の波長の光が放出される。本実施の形態では、ＧａＮ系の半導体材料を用いて発光層となる半導体層を形成しているので、ＧａＮ系の半導体材料のバンドギャップに相当する青色や緑色の光が放出される。

リードフレーム１１の表面１１ａ側の外周縁には、チップ１４の表面１４ａ側を覆うドーム状のレンズ部材１８が取り付けられている。レンズ部材１８は、所定の屈折率を有する樹脂等の材料で形成されており、チップ１４の積層体１４２から出射される光を屈折させ、発光ダイオード１の外部の所定方向へと導く。このように、チップ１４から出射された光は、レンズ部材１８を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。

次に、実施の形態に係る発光ダイオード１による輝度改善効果について、図４の比較構造に係る発光ダイオードを参照しながら説明する。図４は、実施の形態と比較するための比較構造に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。比較構造に係る発光ダイオードは、透光性部材１５の形状が変わる点を除き、実施の形態に係る発光ダイオード１と共通の構成を備える。すなわち、比較構造に係る発光チップ２２では、平面形状が矩形状のサファイア基板２４１と、サファイア基板２４１の表面２４１ａに設けられた積層体２４２とを備えるチップ２４が透光性部材２５の当接面２５ａに接着される。そして、透光性部材２５の当接面２５ａには、実施の形態のような溝１６が形成されず、裏面２５ｂと平行になる平面状に形成されている。

図２に示すように、実施の形態に係る発光チップ１２において、発光層となる半導体層で生じた光は、主に、積層体１４２の表面１４２ａ（すなわち、発光チップ１４の表面１４ａ）、及び裏面１４２ｂから放出される。積層体１４２の表面１４２ａから放出された光（例えば、光路Ａ１）は、上述のように、レンズ部材１８（図１参照）等を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。一方で、例えば、積層体１４２の裏面１４２ｂから出射されて光路Ａ２を伝播する光は、サファイア基板１４１と溝１６内に形成された空気層との界面であるチップ１４の裏面１４ｂに入射し、全反射される（光路Ａ３）。光路Ａ３を伝播する光は、サファイア基板１４１の側面に入射し、外部へ放出される。

これに対し、図４に示すように、比較構造に係る発光チップ２２の光路Ｂ１，Ｂ２は、実施の形態に係る発光チップ１２の光路Ａ１，Ａ２と同様となる。しかし、実施の形態における光路Ａ３は、溝１６によってチップ１４の裏面１４ｂで全反射されるのに対し、比較構造における光路Ｂ３は、透光性部材２５側へ透過される。光路Ｂ３を伝播する光は、リードフレーム１１の表面１１ａで反射される（光路Ｂ４）。光路Ｂ４を伝播する光は、透光性部材２５の側面２５ｃと空気層との界面で全反射される（光路Ｂ５）。全反射されて光路Ｂ５を伝播する光は、透光性部材２５を透過してからサファイア基板２４１を透過し、積層体２４２に入射して吸収されるため、外部に取り出すことができなくなる。

以上のように、実施の形態に係る発光ダイオード１によれば、溝１６の内部空間の屈折率を透光性部材１５の屈折率より小さくし、透光性部材１５に入射する光に比べ、溝１６に入射する光の全反射する角度を広くすることができる。従って、積層体１４２から溝１６に向かって出射して光路Ａ２と同様に伝播する光を、光路Ａ３と同様にして外部に取り出すことができる。これにより、光路Ａ２と同様に伝播する光は、比較構造の光路Ｂ２と同様に伝播する光に比べ、チップ１４の裏面１４ｂで全反射する光の割合を増やすことができる。この結果、透光性部材１５等の内部で反射を繰り返して積層体１４２に戻る光の割合を少なくし、サファイア基板１４１から出る光の割合を多くでき、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。また、本実施の形態では、積層体１４２から出射して光路Ａ２と同様に伝播する光を溝１６において散乱させ、その光の一部をサファイア基板１４１や透光性部材１５を伝播させて外部に取り出すことができ、これによっても、積層体１４２に戻る光の割合を低く抑えることができる。

なお、サファイア基板は硬くて加工が容易でないので、薄いサファイア基板を用いて加工性を高めておくことが望ましい。上記の発光ダイオード１では、サファイア基板１４１を薄くしても透光性部材１５によって光の取り出し効率を高く維持できる。つまり、光の取り出し効率を維持するためにサファイア基板１４１を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。

次に、上記の実施の形態に係る発光ダイオードの輝度改善効果を確認するために行った実験について説明する。本実験では、実施例１〜７及び比較例として、図５に示す構成の透光性部材１５，３５を有する発光ダイオードを作成した。実施例１における発光ダイオードは、溝１６の形態を変更した点を除き、上記実施の形態の発光ダイオード１（図１参照）と同様の構成とし、透光性部材１５とチップ１４とを接着する透光性樹脂（不図示）は、光を透過するダイボンディング剤（信越化学製、ＫＥＲ−Ｍ２）を用いた。チップ１４の大きさ（縦×横×厚み）は、２７０μｍ×５９５μｍ×１５０μｍとした。透光性部材１５は、チップ１４と同じ大きさに合わせ、当接面１５ａの面積（縦×横）を２７０μｍ×５９５μｍ、厚みを１５０μｍとしたサファイア基板を用いた。

実施例１の溝１６は、横方向（長辺方向）中央部で縦方向（短辺方向）に１本延在しており、溝幅ｗを８０μｍとした。実施例２及び３は、実施例１の溝１６の溝幅ｗを変更したものであり、実施例２の溝幅ｗを１６０μｍ、実施例２の溝幅ｗを３００μｍとした。実施例４は、実施例１の溝１６を２本形成したものであり、各溝１６における溝幅中間点の横方向の離間距離ｄを２００μｍとした。実施例５及び６の溝１６は、縦方向中央部で横方向に１本延在しており、実施例５の溝幅ｗを８０μｍ、実施例６の溝幅ｗを１１０μｍとした。実施例７の溝１６は、実施例１及び５の各溝１６を両方形成してクロス状とした。実施例１〜７の溝１６の深さは、全て４０μｍとした。比較例は、実施例１の溝１６の形成を省略したものであり、透光性部材３５の当接面３５ａを平面状に形成した。

本実験では、各実施例及び比較例の発光ダイオードの輝度を測定した。具体的には、各発光ダイオードから放射される全ての光の強度（パワー）の合計値を測定し（全放射束測定）、溝１６を形成しない比較例を基準（１００％）とする輝度向上率に換算した。図６は、測定結果を示すグラフである。図６において、縦軸は、各発光ダイオードの輝度向上率（％）を示している。また、図６では、各実施例の除去面積比率を百分率［％］で示している。

図６に示すように、基準（１００％）となる比較例に比べ、透光性部材１５に溝１６を形成した実施例１〜７の全てにおいて、輝度が向上しており、光の取り出し効率を高めることができた。特に、溝１６の除去面積比率が約２〜５割となる実施例５（２９．６％）、実施例６（４０．７％）、実施例３（５０．４％）では、輝度向上率が約１１０％となって輝度が高まるという傾向を確認できた。また、除去面積比率が、実施例６（４０．７％）と、実施例７（３９．１％）とで近似した値となるが、実施例６より実施例７の方が、輝度向上率が４．５％高まっており、溝１６をクロス形状とすることで輝度が向上することを確認できた。なお、溝１６の除去面積比率を５割より大きくすると、チップ１４の裏面１４ｂに対する当接面１５ａの面積が狭くなり、それらの接着安定性が不十分になり易くなった。従って、かかる装着安定性と、輝度向上との両方を総合的に考慮すると、溝１６の除去面積比率は４割程度が最適となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、サファイア基板とＧａＮ系の半導体材料とを用いるチップ１４を例示したが、結晶成長用基板としてＧａＮ基板を用いる等、結晶成長用基板及び半導体材料は実施の形態に限定されない。なお、加工性を高めるためには、サファイア基板等の結晶成長用基板を薄くすると良いが、結晶成長用基板は必ずしも薄くなくて良い。

また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光する半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた積層体１４２を例示したが、積層体１４２の構成はこれに限定されない。積層体１４２は、少なくとも、電子と正孔との再結合により光を放出できるように構成されていれば良い。

また、チップ１４は、赤外光を発するチップ（ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰなど）としてもよく、この場合、透光性部材１５が赤外光を透過する材質で形成することで、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、チップ１４が紫外光を発し、透光性部材１５が紫外光を透過する材質で形成した場合も、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光チップの光取り出し効率を高めるために有用である。

１ 発光ダイオード
１２ 発光チップ
１４ チップ
１４１ サファイア基板
１５ 透光性部材
１５ａ 当接面
１５ｃ 側面
１６ 溝

Claims (3)

1. 発光層を表面に備えたチップと、該チップの裏面に透光性を有する樹脂で接着され且つ該発光層から出射された光を透過する透光性部材とを備え、
   該透光性部材の該チップとの当接面には、該透光性部材の側面及び該当接面に露出する溝が形成されており、該溝の溝幅は該チップ長辺側の１辺の長さよりも小さく、該溝は、該透光性部材の該当接面の全面積に対して該溝が形成される領域の割合となる除去面積比率が２〜５割に形成されていること、を特徴とする発光チップ。
2. 該溝は、該透光性部材の該当接面にクロス形状に形成されていること、を特徴とする請求項１記載の発光チップ。
3. 該チップは、サファイア基板の上にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されて成ること、を特徴とする請求項１または２に記載の発光チップ。

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