JP6438648B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。
発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略称する。）は、高い発光効率、低い消費電力および長寿命であるという観点から、照明用装置をはじめ、光通信装置、携帯型電子機器などの様々な応用製品の光源として採用されている。現在主流とされる白色ＬＥＤは、波長のピークが４５０ｎｍ前後の青色ＬＥＤと、その青色光を５５０ｎｍ前後の波長に変換する黄色蛍光体との組み合わせに基づいて、単一のＬＥＤ素子（シングルチップ）のみによる白色光が実現されている。
近年のたとえば携帯型電子機器などでは小型化および高性能化が著しく進歩し、このような機器に搭載できる、より小型で高輝度の半導体発光装置が求められている。小型化された半導体発光装置は、いわゆるチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）として普及している。たとえば特許文献１には、発光素子と、発光素子が放射する光の波長を変換する光波長変換部材と、光波長変換部材を通過した光の出射面積を発光素子の発光面積よりも小さく絞る導光部材とを備える発光モジュールが開示されている。この発光モジュールによれば、光の出射面積を小さくすることで輝度を高めることが可能とされている。
しかし、従来の半導体発光装置では、発光強度を上げるために光取り出し面の面積を広くする必要があり、高輝度の発光装置を小型化することが困難と考えられていた。
本発明は、かかる従来の課題にかんがみてなされたものであり、光取り出し面の面積を広くすることなく発光強度を上げることができる構造を採用することで、小型化および高輝度化を実現した半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体層の積層面に対し光取り出し面が垂直である半導体発光装置であって、前記半導体層上に配置される透光性を有する導光部材と、前記導光部材上に配置される光反射部材と、光反射性を有し前記光取り出し面側に開放部を有して前記半導体層の外縁を囲むパッケージと、を備えることを特徴とする。
また本発明は、半導体層の積層面に対し光取り出し面が垂直である半導体発光装置を製造する方法であって、半導体層と電極とが形成された発光素子を、前記電極をシートに接して複数配置する工程と、隣接する少なくとも２つの前記発光素子の間を架け渡して、一面に光反射部材を成膜した導光部材を配置する工程と、前記発光素子の間隙を埋めるように、光反射性を有する絶縁部材を配置する工程と、前記隣接する少なくとも２つの前記発光素子の間の位置で、前記絶縁部材および前記導光部材を切断する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、半導体発光装置において光取り出し面の面積を広くすることなく発光強度を上げることができる。
上述したような構造を採用することで、半導体発光装置の薄型化や高輝度化を実現することができる。たとえば、半導体発光装置の光取出し面のサイズを保ちながら、半導体発光層面積を奥行方向に大きくすることができ、高輝度化を実現することができる。
本発明の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。なお、参照される各図を通し、同一の各構成要素および形態は異なるが対応関係がある各構成要素に対しては同一の符号が付されている。また、これらの図面における構成は本発明の半導体発光装置を説明するための例示にすぎない。また、図面は半導体発光装置の部材を誇張して示す模式図である。そのため本発明は、これらの図面や実施形態の説明における記載に限定されるものではない。
図１は本発明の一実施形態による半導体発光装置１の断面を模式的に示す図である。図２は図１に示される半導体発光装置を光取り出し面側から見た正面図である。
半導体発光装置１は、ＬＥＤである半導体層２と、この半導体層２から放出される光を外部に取り出すための光取り出し面３ａとを備える。この光取り出し面３ａは、半導体層２に対し実質的に垂直であればよい。光取り出し面３ａが、少なくとも半導体層２の中間層である活性層（ｐｎ接合層）に対し垂直であれば、半導体層２に対し垂直または実質的に垂直ということができる。
半導体層２は、たとえば窒化物系化合物半導体（一般式がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１））からなるＧａＮ系ＬＥＤを用いることができる。ＧａＮ系ＬＥＤには、紫外ＬＥＤや青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤなどがある。また、ＬＥＤを構成する半導体層２が、他のたとえばＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系などの化合物半導体からなるものであってもよい。この場合、ＬＥＤの発光色の波長帯は、紫外光から可視光の全域とすることができる。
半導体層２は、たとえば有機金属化学気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法によって、サファイア等の成長基板上に順次積層して形成することができる。またその他の気相または液相成長法を用いて半導体層２を形成してもよい。
半導体発光装置１は、また、半導体層２の上に配置される透光性を有する導光部材３と、導光部材３上に配置される光反射部材４と、光反射性を有し光取り出し面３ａ側に開放部を有して半導体層２の外縁を囲むパッケージ５とを備える。このパッケージ５は、光反射部材４の上面を覆う構造であってもよい。
透光性を有する導光部材３は、たとえばガラス基板とすることができる。導光部材３は単層構造であってもよいが、半導体層２から放射される光の波長を変換する、たとえば蛍光体を含む波長変換部３２と透明部３１とが積層される多層構造であってもよい。たとえば、導光部材３は、その一面に蛍光体層が成膜されたガラス基板とすることができる。
また導光部材３は半導体層２を封止するものでもよい。そのような封止材は、蛍光体を含有する樹脂からなることが好ましい。また封止材は、必ずしも蛍光体を含有している必要はなく、拡散材（フィラーなど）や着色材（顔料など）を含有する樹脂であってもよい。
導光部材３は、半導体層２に接合して配置されてよく、透明な接着層などのある種の媒体層を介して半導体層２に配置されてもよい。さらに導光部材３は、サファイアなど半導体層２を形成する際に使用される成長基板を介して半導体層２に配置されてもよい。
光反射部材４は、導光部材３の表面に形成したＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）であることが好ましい。ＤＢＲは、空間周期がλ／２ｎの回折格子である（ここで、λは真空における光の波長、ｎは媒体（具体的には導光部材）の屈折率である。）。ＤＢＲである光反射部材４は、半導体層２から放射される光を導光部材３に向けて反射する機能を有している。これにより、半導体層２から放射される光は、導光部材３を通して、効率よく光取り出し面３ａへ導かれる。
また、光反射部材４はＡｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属であってもよい。さらに光反射部材４は、金属からなる層とＤＢＲからなる層の積層体であってもよい。
パッケージ５は、たとえばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であることが好ましい。またパッケージ５は電気的な絶縁材料から形成される。熱硬化性樹脂は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉからなる群から選択される１種の酸化物、若しくはＡｌＮ、ＭｇＦの少なくとも１種を含むことが好ましい。特にＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種を混合してなることが好ましい。これらのような材料を採用することにより、パッケージ５に好適な電気的絶縁性、機械的強度および光反射性を与えることができる。
このパッケージ５は、上述した樹脂以外にも、トランスファーモールド成形を行うことができる熱可塑性樹脂を用いてもよい。
このような光反射性と電気絶縁性とを兼ね備えるパッケージ５は、半導体層２に接続するｎ電極１１とｐ電極１２間を電気的に絶縁する絶縁部材と一体をなす。これにより半導体発光装置１の構造が簡素化され、製造工程数が減少する。
実施形態１
図３は本発明の実施形態１による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。
図３は本発明の実施形態１による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。
図３に示されるように、半導体発光装置１は、半導体層２に順方向の電流が供給されることにより活性層２３にキャリアが移動して閉じ込められ、そこでキャリアの再結合が効率良く起こり光を放射する。活性層２３は発光層ともいわれる。半導体層２は、成長基板３０上にｎ型半導体層２１、活性層２３およびｐ型半導体層２２が順に積層されている。活性層２３は、量子井戸構造を有している。本実施形態では、半導体層２には窒化物半導体を用いている。
例示的には、ｎ型半導体層２１はＳｉを含有するＧａＮ層を有しており、ｐ型半導体層２２はＭｇまたはＺｎを含有するＧａＮ層を有している。また活性層２３は、ＧａＮ層やＩｎＧａＮ層を有している。この活性層２３は、青色光を発光する。
ＬＥＤのカソードとしてのｎ電極１１は、ｎ型半導体層２１に電気的に接合して設けられる。一方、ＬＥＤのアノードとしてのｐ電極１２は、ｐ型半導体層２２に電気的に接合して設けられる。たとえば、ｎ型半導体層２１およびｐ型半導体層２２のそれぞれの所定位置にスパッタリング等によりアンダー・バリア・メタル（ＵＢＭ）を成膜し、成膜したＵＢＭ上に濡れ性の良い導電性金属であるたとえばＡｕをメッキすることにより、バンプ状のｎ電極１１およびｐ電極１２が得られる。
また、より高輝度のＬＥＤを実現するために、ｐ型半導体層２２の下面に光反射層（図示略）を設けてもよい。光反射層は、たとえば、ｐ型半導体の一部として形成したＤＢＲとすることができる。すなわち、ＤＢＲからなる光反射層は、活性層２３から電極１１、１２側へ放射された光を反対側に回折させるとともに、順方向電流を活性層２３およびｎ型半導体層２１に供給することができる。また、光反射層は、ＡｇやＡｌといった反射率の高い金属層を用いることができ、このような金属層はｐ電極１２の一部として機能させることができる。
半導体発光装置１の光取り出し面３ａは、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。半導体層２上には、成長基板（サファイヤ基板）３０を介して、透光性を有する導光部材３が配置されている。なお、半導体発光装置１の別の形態としては、成長基板３０をＬＬＯ（Laser Lift Off）法により除去した後に、半導体層２に接合して導光部材３を配置してもよい。
導光部材３は、透明なガラス基板である透明部３１と、蛍光体層である波長変換部３２とを含む。本実施形態では、導光部材３がガラス基板の一面に蛍光体層が成膜される。
波長変換部３２は、たとえば、Ｃｅ、Ｅｕ等のランタノイド系元素で賦活される、窒化物系蛍光体または酸窒化物系蛍光体を含有することができる。より具体的には、蛍光体として、たとえばＣｅ等のランタノイド元素で賦活される希土類アルミン酸塩を用いることができ、そのうちＹＡＧ系蛍光体が好適に用いられる。また、ＹＡＧ系蛍光体のうちＹの一部または全部をＴｂ、Ｌｕで置換したものでもよい。また、Ｃｅで賦活される希土類ケイ酸塩等を蛍光体の材料に用いることができる。
また、Ｅｕ等のランタノイド系元素で賦活される、アルカリ土類ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属硫チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素またはゲルマン酸塩、もしくはＥｕ等のランタノイド系元素で賦活される有機または有機錯体を蛍光体の材料として用いることができる。たとえば赤色蛍光体として、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：ＥｕのようなＳＣＡＳＮ系蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ３：ＥｕのようなＣＡＳＮ系蛍光体、ＳｒＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ等がある。他にも、発光素子の青色光を吸収して緑色光を発光する、例えば、クロロシリケート蛍光体やβサイアロン蛍光体等を材料に用いることができる。他には、Ｍｎ４＋付活Ｍｇフルオロジャーマネート蛍光体及びＭ１ ２Ｍ２Ｆ６：Ｍｎ４＋（Ｍ１＝Ｌｉ,Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ；Ｍ２＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ）蛍光体からなる群より選択される少なくとも１種である。
また、Ｅｕ等のランタノイド系元素で賦活される、アルカリ土類ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属硫チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素またはゲルマン酸塩、もしくはＥｕ等のランタノイド系元素で賦活される有機または有機錯体を蛍光体の材料として用いることができる。たとえば赤色蛍光体として、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：ＥｕのようなＳＣＡＳＮ系蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ３：ＥｕのようなＣＡＳＮ系蛍光体、ＳｒＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ等がある。他にも、発光素子の青色光を吸収して緑色光を発光する、例えば、クロロシリケート蛍光体やβサイアロン蛍光体等を材料に用いることができる。他には、Ｍｎ４＋付活Ｍｇフルオロジャーマネート蛍光体及びＭ１ ２Ｍ２Ｆ６：Ｍｎ４＋（Ｍ１＝Ｌｉ,Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ；Ｍ２＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ）蛍光体からなる群より選択される少なくとも１種である。
半導体発光装置１は、導光部材３上に配置された光反射部材４を備える。光反射部材４は、導光部材３の波長変換部３２の表面に形成したＤＢＲである。光反射部材４はまた、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属であってもよい。さらに光反射部材４は、金属およびＤＢＲの積層体からなるものであってもよい。
半導体発光装置１は、光取り出し面３ａ側に開放部を有して半導体層２の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、電気的絶縁性を有するシリコーンやエポキシ等の熱硬化性樹脂である。パッケージ５の材料は、光反射性を有する白色とするために、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉからなる群から選択される１種の酸化物、若しくはＡｌＮ、ＭｇＦの少なくとも１種を含む。特にＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種を樹脂に混合してなることが好ましい。これらのような樹脂材料により、パッケージ５に好適な電気的絶縁性、機械的強度および光反射性を与えることができる。
半導体発光装置１は、導光部材３に配置された光反射部材４と、光取り出し面３ａ側に開放部を有して半導体層２の外縁を囲む、光反射性を有するパッケージ５とを備えることにより、半導体層２から放射される光が光反射部材４およびパッケージ５で反射し、導光部材３を通して効率よく光取り出し面３ａへと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置１が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面３ａの面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。
本明細書の実施形態では、パッケージの寸法が２ｍｍ×１ｍｍであり、厚みが０．３ｍｍの半導体発光装置を用いるが、このパッケージの寸法は特に限定されるものではない。
次に、上述した実施形態１の半導体発光装置を製造するための方法を図４を参照して説明する。
はじめに、成長基板３０上にＬＥＤである半導体層２、ｎ電極１１、ｐ電極１２および所定の保護膜層等を形成した複数の発光素子４０を準備する。半導体層２はＧａＮなどの窒化物系半導体から形成され、成長基板３０としてサファイアの単結晶基板が用いられる。
成長基板３０、３０、…を上にして粘着シート４１上にｎ電極１１およびｐ電極１２が接するように発光素子４０、４０、…を設置する（図４ａ）。そして、隣接する少なくとも２つの発光素子４０、４０の間を架け渡して、成長基板３０上に導光部材３を配置する（図４ｂ）。導光部材３０は、発光素子４０が配置される反対側の面に予め光反射部材４が成膜される。本実施形態によれば、導光部材３０が透明なガラス基板である透明部３１上に、ＹＡＧ系蛍光体を含む波長変換部３２が積層され、この波長変換部３２の表面に光反射部材４としてのＤＢＲが形成されている。
次に、発光素子４０、４０、…の間隙を埋めるように、光反射性を有する絶縁部材５１を配置する（図４ｃ）。絶縁部材５１は、パッケージ５の材料であり、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が混合されるシリコーン熱硬化性樹脂である。絶縁部材５１は、発光素子４０の各電極１１、１２を絶縁するために、各電極１１、１２の間隙にも充填される。
絶縁部材５１を成形する方法としては、圧縮成形法、トランスファー成形法、射出成形法などの一般的な成形法を採用することができる。加熱することにより絶縁部材５１を硬化させた後、任意で、発光素子４０、４０、…の電極１１、１２に電気的に接続するパッド電極４２、４２、…を形成してもよい（図４ｄ）。
そして、隣接する少なくとも２つの発光素子４０、４０の間の位置で、絶縁部材５１および導光部材３を切断する（図４ｅ）。絶縁部材５１および導光部材３を切断する方法は、たとえばダイシングやダイヤモンドカットが用いられる。このような製造工程を経て、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置１が提供される。
この半導体発光装置１の光取り出し面は、透明部３１の端面や波長変換部３２の端面である。また、光取り出し面側の半導体層２の端部は、絶縁部材５１により被覆されている。そのため、この光取り出し面側の半導体層２の端部から発光される光は抑制されるため、色ムラの抑制ができる。
実施形態２
図５は本発明の実施形態２による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
図５は本発明の実施形態２による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。半導体層２上には、成長基板３０を介して、透明部３１と波長変換部３２とを含む導光部材３が配置されている。透明部３１は透明なガラス基板であり、波長変換部３２はＹＡＧ系蛍光体である。本実施形態では、図５に示すように、導光部材３の透明部３１が成長基板３０に接している。
また、導光部材３上には光反射部材４が配置されている。光反射部材４は、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６と、ＤＢＲ４７の２層からなる。図５の実施形態では、メタル層４６がＤＢＲ４７を介して波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されている。ＤＢＲを介さずにメタル層４６が波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されてもよい。
また、半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、光反射部材４の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、電気的絶縁性を有するシリコーン等の熱硬化性樹脂である。パッケージ５の熱硬化性樹脂には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が混合される。これらのような樹脂材料により、パッケージ５に好適な電気的絶縁性、機械的強度および光反射性を与えることができる。
実施形態２による半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、光反射部材４の外縁を囲む、光反射性を有するパッケージ５とを備えることにより、半導体層２から放射される光が光反射部材４およびパッケージ５で反射し、導光部材３を通して効率よく光取り出し面へと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面の面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。
上述した導光部材３は、成長基板３０の上に、透明部３１と波長変換部３２の順で積層されたものである。また、光反射部材４は、波長変換部３２の上に、ＤＢＲ４７とメタル層４６の順で積層されたものである。
実施形態３
図６は本発明の実施形態３による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
図６は本発明の実施形態３による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。また、半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、光反射部材４の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、電気的絶縁性を有するシリコーン等の熱硬化性樹脂である。パッケージ５の熱硬化性樹脂には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が混合される。
半導体層２には、成長基板（不図示）がＬＬＯ（レーザーリフトオフ）法により除去された後に、透明部３１と波長変換部３２とを含む導光部材３が配置される。透明部３１は透明なガラス基板であり、波長変換部３２はＹＡＧ系蛍光体である。本実施形態では、図６に示すように、導光部材３の透明部３１が半導体層２に接している。
また、導光部材３上には光反射部材４が配置されている。光反射部材４は、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６と、ＤＢＲ４７の積層体からなる。図６の実施形態では、メタル層４６がＤＢＲ４７を介して波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されている。ＤＢＲを介さずにメタル層４６が波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されてもよい。
パッケージ５は、光取り出し面側の半導体層２の端部からパッケージ５の端部までの幅Ｘは、数μｍ以上であり、好ましくは３０μｍ以上である。たとえば、この実施形態では、５０μｍの幅とする。さらに、光取り出し面側と反対側の半導体層２の端部からパッケージ５の端部の幅Ｙは、５０μｍ以上であり、好ましくは１００μｍ以上とする。また、光反射部材４の上部のパッケージ５の厚みＺは５μｍ以上であることが好ましい。これにより、半導体発光装置のさらなる高輝度化を実現することができる。
実施形態３による半導体発光装置１は、半導体層２の端部からメタル層４６上に連続して絶縁部材が被覆しているので、半導体発光装置１の上方に光が漏れることを抑制することができる。
実施形態３による半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、光反射部材４の外縁を囲む、光反射性を有するパッケージ５とを備えることにより、半導体層２から放射される光が光反射部材４およびパッケージ５で反射し、導光部材３を通して効率よく光取り出し面へと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面の面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。より具体的には、半導体発光装置の光取出し面のサイズを保ちながら、半導体発光層面積を奥行方向に大きくすることができ、高輝度化を実現することができる。
実施形態４
図７は本発明の実施形態４による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
図７は本発明の実施形態４による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。また、半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、メタル層４６の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、電気的絶縁性を有するシリコーン等の熱硬化性樹脂である。パッケージ５の熱硬化性樹脂には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が混合される。これらのような樹脂材料により、パッケージ５に好適な電気的絶縁性、機械的強度および光反射性を与えることができる。
半導体層２には、成長基板（不図示）がＬＬＯ法により除去された後に、透明部３１と波長変換部３２とを含む導光部材３が配置される。透明部３１は透明なガラス基板であり、波長変換部３２はＹＡＧ系蛍光体である。本実施形態では、図７に示すように、透明部（ガラス基板）３１上にＡｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６が、無電解メッキ法などにより成膜されている。透明部（ガラス基板）３１上に図示しないＤＢＲを形成し、このＤＢＲ上にメタル層４６が成膜されてもよい。
そして、波長変換部（ＹＡＧ）３２が透明な樹脂材からなる接着層６１を介して半導体層２に接着されている。
実施形態４による半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、導光部材３、メタル層４６の外縁を囲む、光反射性を有するパッケージ５とを備えることにより、半導体層２から放射される光がメタル層４６およびパッケージ５で反射し、導光部材３を通して効率よく光取り出し面へと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面の面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。
実施形態５
本発明の実施形態５による半導体発光装置の断面図を図８に示す。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
本発明の実施形態５による半導体発光装置の断面図を図８に示す。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。また、半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、波長変換部３２、光反射部材４の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、電気的絶縁性を有するシリコーン等の熱硬化性樹脂である。パッケージ５の熱硬化性樹脂には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が混合される。
半導体層２上には、成長基板３０を介して、ＹＡＧ系蛍光体である波長変換部３２が配置されている。本実施形態では、図８に示すように、波長変換部３２が半導体層２の成長基板３０に直接接合されている。ここで、直接接合とは、接合したい界面を、接着材を用いることなく原子の結び付きで接合される接合である。ここで用いることのできる直接接合は、一般的に常温接合と分類される接合方式が好ましい。直接接合であっても、非常に高い温度で接合の為の化学反応や拡散を促す方式もあるが、本発明のLED作製においては温度制限から好ましくない。また、温度をかけなくとも電界をかけて、接合する陽極接合などの方式もあるが、電解をかけるために必要な表層材料や、半導体に与える影響が懸念されるため、同様に好ましくない。
本実施形態に適した直接接合方式としては、表面活性化接合、原子拡散接合、水酸基接合などが上げられる。表面活性化接合は、超高真空中で不活性イオンを接合界面に照射することにより、表面を清浄、活性化し接合する。原子拡散接合は、同じく超高真空中で金属をスパッタリングし、その金属の拡散により接合する。スパッタ膜を非常に薄くすることで、光取り出しに影響なく接合できることも確認できている。水酸基接合は接合界面に水酸基を形成し、水酸基の水素結合で接合する。上記した３つの常温接合であるが、必要に応じて加熱処理を行うことで結合力が増す場合がある。その場合、加熱は、４００℃以下、好ましくは３００℃以下、より好ましくは２００℃以下まで、加熱してもよい。
「直接接合」とは接着材などの有機系材料を介さず異種材料が接合される事である。金属や誘電体を中間部材として導入する場合においても、接合部材への光導入において、その中間部材の光学特性が無視されるような接合である。この接合部材としては、たとえばＹＡＧ蛍光体を用いることができる。
また、波長変換部３２上には光反射部材４が配置されている。光反射部材４は、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６と、ＤＢＲ４７の２層からなる。本実施形態では、図８に示すように、メタル層４６がＤＢＲ４７を介して波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されている。ＤＢＲ４７を介さずにメタル層４６が波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されてもよい。
実施形態５による半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、波長変換部（ＹＡＧ）３２、光反射部材４の外縁を囲む、光反射性を有するパッケージ５とを備える。半導体層２から放射された光が光反射部材４およびパッケージ５で反射し、波長変換部（ＹＡＧ）３２で波長変換された光が効率よく光取り出し面へと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面の面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。
実施形態６
本発明の実施形態６にある半導体発光装置の断面図を図９に示す。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
本発明の実施形態６にある半導体発光装置の断面図を図９に示す。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。また、半導体発光装置１は、半導体層２上には、光取り出し面側に開放部を有しているＢＰＦ（Band Pass Filter）３３、波長変換部３２、光反射部材４を順に積層している。また、半導体発光装置１は、光反射部材４の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、上述した樹脂を用いることができる。
半導体層２の成長基板３０には、ＢＰＦ３３を介して、ＹＡＧ系蛍光体である波長変換部３２が配置されている。ＢＰＦ３３は、波長帯域がたとえば４２０〜５００ｎｍの光を通過させる光学フィルタである。ＢＰＦ３３は、波長帯域が４３０〜４７０ｎｍであることが好ましい。ここで、窒化物系の半導体層２により構成されるＬＥＤのピークは４５０ｎｍである。
波長変換部３２上には光反射部材４が配置されている。光反射部材４は、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６と、ＤＢＲ４７の２層からなる。本実施形態では、図９に示すように、メタル層４６がＤＢＲ４７を介して波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されている。ＤＢＲを介さずにメタル層４６が波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されてもよい。
実施形態７
図１０は、本発明の実施形態７による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
図１０は、本発明の実施形態７による半導体発光装置の断面図である。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。なお、ｎ電極１１およびｐ電極１２に接合してパッド電極が形成されてもよい。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。また、半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２、ＢＰＦ３３、波長変換部３２、光反射部材４の外縁を囲むパッケージ５を備える。パッケージ５の材料は、上述した樹脂を用いることができる。
半導体層２には、成長基板（不図示）がＬＬＯ法により除去された後に、ＢＰＦ３３と、ＹＡＧ系蛍光体である波長変換部３２とを含む導光部材が配置される。本実施形態では、図１０に示すように、ＢＰＦ３３が半導体層２に接している。
ＢＰＦ３３は、波長帯域がたとえば４２０〜５００ｎｍの光を通過させる光学フィルタである。ＢＰＦ３３は、波長帯域が４３０〜４７０ｎｍであることが好ましい。ここで、窒化物系の半導体層２により構成されるＬＥＤのピークは４５０ｎｍである。
光反射部材４は、Ａｇ、Ａｌなどの光反射性または光沢性を有する金属元素を含むメタル層４６と、ＤＢＲ４７の２層からなる。図１０の実施形態では、メタル層４６がＤＢＲ４７を介して波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されている。ＤＢＲを介さずにメタル層４６が波長変換部（ＹＡＧ）３２の表面に配置されてもよい。
実施形態８
図１１は、本発明の実施形態８による半導体発光装置の断面図である。また図１２は、図１１の半導体発光装置の斜視図である。なお、上述した実施形態３〜７の半導体発光装置も図１２と同様の外観を有している。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。
図１１は、本発明の実施形態８による半導体発光装置の断面図である。また図１２は、図１１の半導体発光装置の斜視図である。なお、上述した実施形態３〜７の半導体発光装置も図１２と同様の外観を有している。半導体発光装置１は、発光素子であるＬＥＤを構成する半導体層２と、半導体層２の下面側にそれぞれ形成されるｎ電極１１およびｐ電極１２とを備える。
半導体発光装置１の光取り出し面は、半導体層２に対し垂直に当該半導体発光装置１の一側面に形成される。半導体発光装置１のパッケージ５は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２を収容する。パッケージ５に収容された半導体層２は、封止材３４によって封止されている。
封止材３４は、ＹＡＧ系蛍光体を含有する透光性を有する樹脂からなる。ただし、必ずしも蛍光体を含有している必要はなく、拡散材（フィラーなど）や着色材（顔料など）を含有する樹脂であってもよい。パッケージ５の材料は、上述した樹脂を用いることができる。
この実施形態による半導体発光装置１は、光取り出し面側に開放部を有して半導体層２を収容する、光反射性を有するパッケージ５を備えることにより、半導体層２から放射される光がパッケージ５内で反射し、封止材３４を通して効率よく光取り出し面へと導かれる。これにより、小型化および高輝度化が実現された半導体発光装置が提供される。また、半導体層２の発光面積を横方向に広くすることで発光強度を増すことができるので、光取り出し面の面積を広くすることなく、放射される光束を増すことができる。
本発明は上述した具体的な実施形態に限定されるものではない。当該技術分野における当業者は、本発明が開示する技術思想の範囲内において、これらの実施形態から本質的ではない要素を適宜改変し、または他の公知な要素に置換することができる。
１ 半導体発光装置
２ 半導体層
３ 導光部材
３ａ 光取り出し面
４ 光反射部材
５ パッケージ
１１ ｎ電極
１２ ｐ電極
２１ ｎ型半導体層
２２ ｐ型半導体層
２３ 活性層
３０ 成長基板
３１ 透明部
３２ 波長変換部
３３ ＢＰＦ
３４ 封止材
４１ 粘着シート
４２、４３、４４ パッド電極
４６ メタル層
４７ ＤＢＲ
５１ 絶縁部材
６１ 接着層
２ 半導体層
３ 導光部材
３ａ 光取り出し面
４ 光反射部材
５ パッケージ
１１ ｎ電極
１２ ｐ電極
２１ ｎ型半導体層
２２ ｐ型半導体層
２３ 活性層
３０ 成長基板
３１ 透明部
３２ 波長変換部
３３ ＢＰＦ
３４ 封止材
４１ 粘着シート
４２、４３、４４ パッド電極
４６ メタル層
４７ ＤＢＲ
５１ 絶縁部材
６１ 接着層
Claims (12)
- 半導体層の積層面に対し光取り出し面が垂直である半導体発光装置であって、
前記半導体層上に配置される透光性を有する導光部材と、
前記導光部材上に配置される光反射部材と、
光反射性を有し前記光取り出し面側に開放部を有して前記半導体層の外縁を囲むパッケージと、
前記半導体層の導光部材とは反対側の下面側に接続される電極と、
を備え、
前記導光部材が、前記半導体層上に成長基板を介して配置される波長変換部を含み、
前記波長変換部が前記成長基板に直接接合され、
前記パッケージが、前記半導体層、成長基板および電極の側面を被覆し、
前記導光部材の前記光取り出し面側とは反対側の側面が、半導体層の側面、成長基板の側面及び光反射部材の側面と共に同一面を形成して前記パッケージに被覆され、
前記パッケージが、前記半導体層に接続する電極間を電気的に絶縁する絶縁部材と一体をなしている、半導体発光装置。 - 前記光反射部材が金属である、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記光反射部材がＤＢＲである、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記光反射部材が金属およびＤＢＲである、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記光反射部材は、前記導光部材上にＤＢＲ、金属の順に積層されてなる、請求項４に記載の半導体発光装置。
- 前記導光部材が波長変換部および透明部を含みこれらが積層されて構成される、請求項１〜５の何れか１項に半導体発光装置。
- 前記導光部材がその一面に蛍光体層が成膜されたガラス基板である、請求項６に記載の半導体発光装置。
- 前記パッケージは、光取り出し面側に開放部を有して前記半導体層、前記導光部材及び前記光反射部材の外縁を囲み、前記光反射部材の上部のパッケージの厚みが５μｍ以上である、請求項１〜７の何れか１項に半導体発光装置。
- 前記パッケージは、光取り出し面側の前記半導体層の端部から前記パッケージの端部までの幅が３０μｍ以上である、請求項１〜８の何れか１項に半導体発光装置。
- 前記パッケージは、光取り出し面側と反対側の前記半導体層の端部から前記パッケージの端部の幅が５０μｍ以上である、請求項１〜９の何れか１項に半導体発光装置。
- 前記パッケージは、熱硬化性樹脂と、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ、ＡｌＮおよびＳｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種とを含む材料からなる、請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体発光装置。
- 請求項１から１１の何れか１項に記載の半導体発光装置を製造する方法であって、
半導体層と電極とが形成された発光素子を、前記電極をシートに接して複数配置する工程と、
隣接する２つの前記発光素子の間を架け渡して、一面に光反射部材を成膜した導光部材を配置する工程と、
前記発光素子の間隙を埋めるように、光反射性を有する絶縁部材を配置する工程と、
前記発光素子の電極にコンタクトするパッド電極を形成する工程と、
前記隣接する２つの前記発光素子の間の位置で、前記絶縁部材および前記導光部材を切断する工程と、
を含む、半導体発光装置を製造する方法。
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