JP6793139B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。

従来、パッケージ基板の凹部に半導体発光素子を収容した半導体発光装置が知られている。このような半導体発光装置として、パッケージ基板の内周面を、開口側ほど外方に拡がる傾斜面とすることで、光出力の向上を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１０３６３６号公報

しかしながら、従来技術では、半導体発光素子の大きさや、半導体発光素子とパッケージ基板との距離を考慮していなかったため、例えば傾斜面で反射した光が半導体発光素子に再突入する等して、光出力を十分に向上することができない場合があった。特に、紫外光を照射する紫外光発光ダイオードでは、素子内に紫外光を吸収する層を含む場合があり、そのような場合には、半導体発光素子に再突入した紫外光が吸収されてしまい、光出力の低下をまねくおそれがあった。

そこで、本発明は、光出力の向上を図った半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、環状の側壁部と、該側壁部の一方の開口を塞ぐ底壁部と、を一体に有するパッケージ基板と、前記側壁部の中空部に収容され前記底壁部上に実装された半導体発光素子と、を備え、前記側壁部の内周面が、前記底壁部と離れるほど外方へと拡がる傾斜面に形成されており、前記側壁部の軸方向に沿った前記半導体発光素子の高さをｈとし、前記半導体発光素子の前記底壁部側の端部と前記傾斜面との前記軸方向に対して垂直な方向に沿った距離をｄとしたとき、前記軸方向に対して垂直な面に対する前記傾斜面の傾斜角度θ_２が、下式
θ_２≦｛（１８０−θ_１）／２｝×１．３２
θ_１＝｛ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）｝×１８０／π
の条件を満たしている、半導体発光装置を提供する。

本発明によれば、光出力の向上を図った半導体発光装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の分解斜視図である。 半導体発光装置の要部を拡大した断面図である。 半導体発光素子の積層構造を説明する図である。 本発明による実施例及び従来例の光出力を演算したシミュレーション結果を示すグラフ図である。 反射率を変化させ、傾斜角度と光出力との関係をシミュレーションした結果を示すグラフ図である。 （ａ）は、透明基板の窒化物半導体層側の面の中心位置を発光点とした場合において、発光点からの光の経路（軌跡）を示す図であり、（ｂ）は、透明基板から外に出る光と、全反射により透明基板から外に出ない光のそれぞれの領域を説明する図である。 透明基板の厚さを変化させた際における光出力の変化のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

（半導体発光装置の全体構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の分解斜視図であり、図２は、その要部を拡大した断面図である。

半導体発光装置１は、パッケージ基板２と、蓋体３と、半導体発光素子４と、ツェナーダイオード５と、を備えている。

パッケージ基板２は、環状（短筒状、枠状）の側壁部２１と、側壁部２１の一方の開口を塞ぐ底壁部２２と、を一体に有する。側壁部２１は、平面視で略矩形状（略矩形の枠状）に形成されており、この側壁部２１の中空部内に、半導体発光素子４とツェナーダイオード５とが収容されている。パッケージ基板２は、例えば高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）からなる。底壁部２２には、半導体発光素子４やツェナーダイオード５が実装される基板側電極２４が設けられている。なお、図１では、基板側電極２４の図示を省略している。

蓋体３は、半導体発光素子が発光する光を透過する石英ガラス等の透明部材からなる。蓋体３は、パッケージ基板２の開口、すなわち側壁部２１の他方の開口（底壁部２２と反対側の開口）を塞ぐようにパッケージ基板２に取り付けられる。蓋体３は、側壁部２１の上面（底壁部２２と反対側の面）に、ろう材等を用いて水密に固定される。

半導体発光素子４は、側壁部２１の中空部に収容されており、底壁部２２の基板側電極２４上にフリップチップ実装されている。本実施の形態では、半導体発光素子４は、発光波長（中心波長、ピーク波長）が３６０ｎｍ以下である紫外光（深紫外光）を発光する発光ダイオード（以下、紫外光ＬＥＤという）からなる。半導体発光素子４の詳細については後述する。

ツェナーダイオード５は、半導体発光素子４と共に側壁部２１の中空部に収容されており、底壁部２２の基板側電極２４上に実装されている。ツェナーダイオード５は、半導体発光素子４に印加される電圧を一定とし過電流を抑制することにより、半導体発光素子４を保護する役割を果たす。

（側壁部２１の内周面２１ａの傾斜角度θ_２の説明）
本実施の形態に係る半導体発光装置１は、側壁部２１の内周面２１ａが、底壁部２２と離れるほど外方（側壁部２１の中心軸から離れる方向）へと拡がる傾斜面に形成されている。以下、側壁部２１の軸方向（図２の上下方向）に対して垂直な面に対する傾斜面の傾斜角度を、傾斜角度θ_２という。また、側壁部２１の軸方向を、単に軸方向という場合がある。

半導体発光素子４では、その上面（底壁部２２と反対側の面）のみならず、その側面からも光を出射する。傾斜角度θ_２が大きすぎると、半導体発光素子４の側面から出射された光が、側壁部２１の内周面２１ａで反射して半導体発光素子４に再突入してしまい、光出力の低下をまねく場合がある。詳細は後述するが、本実施の形態で用いている半導体発光素子４（紫外光ＬＥＤ）は、発光層よりも底壁部２２側に紫外光を吸収する層を含んでおり、半導体発光素子４に再突入した光の大部分は当該層で吸収されてしまうことになる。よって、光出力を向上させるためには、半導体発光素子４の側面から出射され側壁部２１の内周面２１ａで反射した光が、半導体発光素子４に再突入しないように、傾斜角度θ_２を設定する必要がある。

そこで、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、側壁部２１の軸方向に沿った半導体発光素子４の高さをｈとし、半導体発光素子４の底壁部２２側の端部と傾斜面（側壁部２１の内周面２１ａ）との軸方向に対して垂直な方向に沿った距離をｄとしたとき、傾斜角度θ_２が、下式（１）
θ_２≦｛（１８０−θ_１）／２｝×１．３２ ・・・（１）
θ_１＝｛ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）｝×１８０／π
の条件を満たすようにした。式（１）におけるθ_１は、つまり、軸方向に対して垂直な方向に出射され内周面２１ａで反射された光が半導体発光素子４に再突入しない条件となる、入射角と出射角の合計値の下限値である。

傾斜角度θ_２が小さすぎると、側壁部２１の高さを確保するためには側壁部２１を厚くする必要が生じ、半導体発光装置１の大型化をまねくおそれがある。そのため、傾斜角度θ_２は４５度以上、より好ましくは６０度以上であることが望ましい。

本実施の形態では、側壁部２１が平面視で矩形状に形成されているが、この側壁部２１の内周面２１ａである４つの面のうち、少なくとも、最も半導体発光素子４に近い面が、式（１）の条件を満たしているとよい。

また、本実施の形態では、ツェナーダイオード５を備えているため、半導体発光素子４の側面から出射される光の一部が、ツェナーダイオード５に当たってしまう。つまり、半導体発光素子４の側面からツェナーダイオード５側に出射される光は、その一部のみしか側壁部２１の内周面２１ａに到達しない。そのため、側壁部２１の内周面２１ａである４つの面のうち半導体発光素子４のツェナーダイオード５側の面は、光出力への影響が比較的小さいといえる。よって、側壁部２１の内周面２１ａである４つの面のうち半導体発光素子４のツェナーダイオード５側の面を除く３つの面が、式（１）の条件を満たしていればよく、半導体発光素子４のツェナーダイオード５側の面が式（１）の条件を満たしていなくてもよい。

また、図示していないが、側壁部２１の内周面２１ａには、反射膜が形成されていてもよい。反射膜としては、例えばアルミニウム等の紫外光の反射率が高い金属からなるものを用いるとよい。反射膜は、例えば、アルミニウム等の金属を、蒸着あるいはスパッタリング等により成膜することにより形成できる。

（半導体発光素子４の積層構造）
図３は、紫外光ＬＥＤである半導体発光素子４の積層構造を説明する図である。半導体発光素子４は、透明基板４１及び透明基板４１上に設けられたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体層４２を有し、窒化物半導体層４２を底壁部２２側にして実装されている。

本実施の形態では、透明基板４１は、サファイア基板からなる。また、本実施の形態では、窒化物半導体層４２は、透明基板４１上に、ＡｌＮからなるバッファ層４２ａ、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層４２ｂ、ＡｌＧａＮを含む発光層４２ｃ、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層４２ｄ、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４２ｅを順次形成して構成されている。この半導体発光素子４では、発光層４２ｃ、ｐクラッド層４２ｄ、及びコンタクト層４２ｅの一部がエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層４２ｂの一部が露出されており、その露出された部分のｎ型クラッド層４２ｂ上にｎ電極４３が形成されている。また、コンタクト層４２ｅ上にはｐ電極４４が形成されている。ｎ電極４３とｐ電極４４は、バンプ４６，４７を介して、基板側電極２４にそれぞれ電気的に接続されている。窒化物半導体層４２のうち、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４２ｅは、紫外光を吸収する層（紫外光の吸収が非常に大きい層）である。

上述の式（１）における半導体発光素子４の高さｈとは、厳密には、透明基板４１の上面からｐ電極４４の下面（底壁部２２側の面）までの軸方向に沿った距離である。また、距離ｄは、厳密には、ｐ電極４４の下面の軸方向位置における、対象となる側壁部２１に最も近い窒化物半導体層４２の側面を底壁部２２側に仮想的に延出した仮想面（ｐ電極４４の側面と一致する場合もある）と、内周面２１ａとの、軸方向に垂直な方向に沿った距離である。

（シミュレーション結果）
上面視で一辺１ｍｍの正方形状に形成され高さｈが０．５ｍｍの半導体発光素子４を用いると共に、上面視で一辺３．５ｍｍの正方形状に形成され高さ１ｍｍ、側壁部２１の高さ０．６ｍｍのパッケージ基板２を用い、距離ｄを０．２５ｍｍとした場合について、シミュレーションを行った。側壁部２１の内周面２１ａの反射率は１５％とした。また、半導体発光素子４の発光波長は２８０ｎｍとした。この場合、ｈ＝０．５ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍであるから、上述の式（１）のうち、（１８０−θ_１）／２に対応する角度はおよそ５８．３度となる。

シミュレーションでは、側壁部２１の内周面２１ａの傾斜角度θ_２を９０度とした従来例、傾斜角度θ_２を５８．３度とした実施例１、及び、傾斜角度θ_２を５８．３度とし、かつ内周面２１ａに紫外光の反射率５０％の反射膜を形成した実施例２について、光出力（放射束）を演算した。なお、従来例及び実施例１における内周面２１ａの反射率（紫外光の反射率）は１５％とした。結果を図４に示す。図４に示すように、実施例１では、従来例と比較して、約１．２倍の光出力が得られた。また、反射膜を形成した実施例２では、従来例と比較して、約１．３倍の光出力が得られた。

さらに、内周面２１ａの反射率を７０％，５０％，３０％，及び１５％とした場合について、傾斜角度θ_２を変化させた際の光出力（放射束）をシミュレーションにより求めた。結果を図５に示す。図５に示すように、反射率を１５％とした場合、傾斜角度θ_２を７７度以上とすることで、１０％以上の出力向上の効果が得られることが分かる。つまり、傾斜角度θ_２を、（１８０−θ_１）／２に、係数（７７／５８．３）＝１．３２ を掛け合わせた値以下とする上述の式（１）の条件を満たすことで、１０％以上の出力向上の効果が得られる。なお、内周面２１ａの反射率が低い場合でも確実に効果を得るために、傾斜角度θ_２は下式
θ_２≦｛（１８０−θ_１）／２｝
の関係を満たしていることが、より好ましい。

（透明基板４１の厚さの説明）
上述のように、紫外光ＬＥＤである半導体発光素子４は、紫外光を吸収する層（ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４２ｅ）を含んでいるため、発光層４２ｃで発光した光のうち底壁部２２側に向かう光の大部分は吸収されてしまう。そのため、透明基板４１側に向かう光を可能な限り利用することが求められる。

図５（ａ）は、透明基板４１の窒化物半導体層４２側の面の中心位置（平面視における中心位置）を発光点とした場合において、発光点からの光の経路（軌跡）を示す図である。図５（ａ）に示すように、透明基板４１中の光は立体角２πで広がり、透明基板４１の界面に向けて進む。透明基板４１の界面への入射角度が、透明基板４１の屈折率ｎ２と空気の屈折率ｎ１とで決定される臨界角θよりも大きいと、透明基板４１の界面にて全反射が発生してしまう。

図５（ｂ）に示すように、発光点からの光のうち、軸方向からの角度が臨界角θより小さい光、すなわち図示の領域Ａへと出射される光は、透明基板４１の上面（窒化物半導体層４２側と反対側の面）４１ａへの入射角が臨界角より小さくなるため、上面４１ａから透明基板４１の外部へと出射可能となる。一般に、透明基板４１の幅Ｌは、透明基板４１の厚さＤよりも十分に大きいため、領域Ａへと出射される光は、最小限のロスで出射する。

また、発光点からの光のうち、軸方向に垂直な方向からの角度が臨界角θより小さい光、すなわち図示の領域Ｂへと出射される光は、透明基板４１の側面４１ｂへの入射角が臨界角より小さくなるため、側面４１ｂから透明基板４１の外部へと出射可能となる。発光点からの光のうち、領域Ａ，Ｂ以外の領域Ｃへと出射される光は、上面４１ａや側面４１ｂで全反射され、透明基板４１から出射できない光、あるいはパッケージ基板２の底壁部２２側へと出射される光となり、光出力（発光強度）の向上にほとんど寄与しない。

ここで、透明基板４１の厚さＤを薄くしすぎると、領域Ｂへと出射される光の一部が上面４１ａにて全反射され、光出力の低下の原因となってしまう。よって、領域Ｂへと出射される光を全て側面４１ｂから出射させるために、透明基板４１の厚さＤは、領域Ｂの側面４１ｂ上での厚さ（高さ）Ｄｍｉｎ以上とすることが望ましい。この厚さＤｍｉｎは、透明基板４１の幅をＬ、臨界角をθとすると、下式（２）
Ｄｍｉｎ＝（Ｌ／２）ｔａｎθ ・・・（２）
で表すことができる。

そこで、本実施の形態では、透明基板４１の厚さＤを、下式（３）
Ｄ≧（Ｌ／２）ｔａｎθ ・・・（３）
θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）
但し、ｎ_１：空気の屈折率
ｎ_２：透明基板４１の屈折率
を満たすように設定している。これにより、領域Ｂへと出射される光を全て側面４１ｂから出射できるようになり、透明基板４１からの光の取り出し効率を向上し、光出力を向上することが可能になる。

ここでは、簡単化のために発光点を透明基板４１の中心位置に設定したが、実際には透明基板４１の窒化物半導体層４２側の面の略全体が発光する。よって、透明基板４１の一方の側面４１ｂの近傍で発光した光が反対側の側面４１ｂから出射できるように透明基板４１の厚さＤを設定することで、透明基板４１からの光の取り出し効率をより向上可能となる。具体的には、透明基板４１の厚さＤは、下式（４）
Ｄ≧Ｌ×ｔａｎθ ・・・（４）
を満たすように設定されることが、より望ましい。

なお、ここでいう透明基板４１の幅Ｌとは、透明基板４１の平面視における幅の最小値である。本実施の形態では、平面視で正方形状の半導体発光素子４を用いており、透明基板４１も平面視で正方形状に形成されているため、その一辺の長さが幅Ｌとなる。例えば、平面視で長方形状の半導体発光素子４を用いる場合、その短辺方向の幅が幅Ｌとなる。

（シミュレーション結果）
透明基板４１の幅Ｌを１ｍｍ、透明基板４１の屈折率を１．８１とした場合について、厚さＤを変化させた際の光出力（放射束）を演算した。結果を図６に示す。なお、この場合、上述の式（３）より、厚さＤは０．３３ｍｍ以上（Ｄ／Ｌを０．３３以上）とすればよいことになる。

図６に示すように、放射束はＤ／Ｌが０．３３未満の領域で急激に低下しており、Ｄ／Ｌを０．３３以上とすることで、光出力を向上できることが確認できた。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、側壁部２１の内周面２１ａが、底壁部２２と離れるほど外方へと拡がる傾斜面に形成されており、その傾斜面の傾斜角度θ_２が、上述の式（１）の条件を満たしている、

これにより、半導体発光素子４から側方に出射された光が、半導体発光素子４に再突入することなく外部へと出射されることになり、光出力を向上させることが可能になる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］環状の側壁部（２１）と、該側壁部（２１）の一方の開口を塞ぐ底壁部（２２）と、を一体に有するパッケージ基板（２）と、前記側壁部（２１）の中空部に収容され前記底壁部（２２）上に実装された半導体発光素子（４）と、を備え、前記側壁部（２１）の内周面（２１ａ）が、前記底壁部（２２）と離れるほど外方へと拡がる傾斜面に形成されており、前記側壁部（２１）の軸方向に沿った前記半導体発光素子（４）の高さをｈとし、前記半導体発光素子（４）の前記底壁部（２２）側の端部と前記傾斜面との前記軸方向に対して垂直な方向に沿った距離をｄとしたとき、前記軸方向に対して垂直な面に対する前記傾斜面の傾斜角度θ_２が、下式
θ_２≦｛（１８０−θ_１）／２｝×１．３２
θ_１＝｛ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）｝×１８０／π
の条件を満たしている、半導体発光装置（１）。

［２］前記傾斜面の傾斜角度θ_２が、４５度以上である、［１］に記載の半導体発光装置（１）。

［３］前記側壁部（２１）が、平面視で矩形状に形成されており、前記側壁部（２１）の内周面である４つの面のうち、少なくとも、最も前記半導体発光素子（４）に近い面が、前記条件を満たしている、［１］または［２］に記載の半導体発光装置（１）。

［４］前記側壁部（２１）の中空部に収容され前記底壁部（２２）上に実装されており、前記半導体発光素子（４）を保護するツェナーダイオード（５）を備え、前記側壁部（２１）の内周面（２１ａ）である４つの面のうち、前記半導体発光素子（４）の前記ツェナーダイオード（５）側の面を除く３つの面が、前記条件を満たしている、［３］に記載の半導体発光装置（１）。

［５］前記半導体発光素子（４）は、紫外光を発光する発光ダイオードであり、紫外光を吸収する層を含んでいる、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。

［６］前記半導体発光素子（４）は、透明基板（４１）及び前記透明基板（４１）上に設けられた窒化物半導体層（４２）を有し、前記窒化物半導体層（４２）を前記底壁部（２２）側にして実装されており、前記透明基板（４１）の幅をＬとしたとき、前記透明基板（４１）の厚さＤが、下式
Ｄ≧（Ｌ／２）×ｔａｎθ
θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）
但し、ｎ_１：空気の屈折率
ｎ_２：透明基板の屈折率
を満たしている、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形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、側壁部２１の内周面２１ａが、一定の傾斜角度θ_２を有する平面上に形成されている場合を説明したが、これに限らず、側壁部２１の内周面２１ａは、段階的に傾斜角度θ_２が変化するものであってもよい。また、側壁部２１の内周面２１ａは、下方に凸となるように湾曲した曲面状であってもよい。

１…半導体発光装置
２…パッケージ基板
３…蓋体
４…半導体発光素子
５…ツェナーダイオード
２１…側壁部
２１ａ…内周面
２２…底壁部
４１…透明基板
４２…窒化物半導体層

Claims (4)

1. 環状の側壁部と、該側壁部の一方の開口を塞ぐ底壁部と、を一体に有するパッケージ基板と、
   前記側壁部の中空部に収容され前記底壁部上に実装された半導体発光素子と、を備え、
   前記側壁部の内周面が、前記底壁部と離れるほど外方へと拡がる傾斜面に形成されており、
   前記側壁部の軸方向に沿った前記半導体発光素子の高さをｈとし、前記半導体発光素子の前記底壁部側の端部と前記傾斜面との前記軸方向に対して垂直な方向に沿った距離をｄとしたとき、前記軸方向に対して垂直な面に対する前記傾斜面の傾斜角度θ_２が、下式
   θ_２≦｛（１８０−θ_１）／２｝×１．３２
   θ_１＝｛ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｄ）｝×１８０／π
   の条件を満たしており、
   前記側壁部が、平面視で矩形状に形成されており、
   前記側壁部の中空部に収容され前記底壁部上に実装されており、前記半導体発光素子を保護するツェナーダイオードを備え、
   前記側壁部の内周面である４つの面のうち、前記半導体発光素子の前記ツェナーダイオード側の面を除く３つの面が、前記条件を満たしており、前記半導体発光素子の前記ツェナーダイオード側の面が前記条件を満たしていない、
   半導体発光装置。
2. 前記傾斜面の傾斜角度θ_２が、４５度以上である、
   請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記半導体発光素子は、紫外光を発光する発光ダイオードであり、紫外光を吸収する層を含んでいる、
   請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 前記半導体発光素子は、透明基板及び前記透明基板上に設けられた窒化物半導体層を有し、前記窒化物半導体層を前記底壁部側にして実装されており、
   前記透明基板の幅をＬとしたとき、前記透明基板の厚さＤが、下式
   Ｄ≧（Ｌ／２）×ｔａｎθ
   θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）
   但し、ｎ_１：空気の屈折率
   ｎ_２：透明基板の屈折率
   を満たしている、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体発光装置。

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