JPH1065220A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
合物半導体発光素子と封止樹脂界面での反射率の低減及
び全反射の臨界角を広くする安価な構造とその製造方法
を得ること。 【解決手段】 透光性封止材料による封止構造が2重構
造であり、且つ、化合物半導体発光素子の屈折率N
1と、化合物半導体発光素子に接する第1の透光性封止
材料の屈折率N2と、更にその外側を封止する第2の透
光性封止材料の屈折率N3との間に、N1>N2>N3>1
の関係を有し、且つ、第1の封止樹脂の厚さが一様でな
いことを特徴とするものである。
Description
素子からなる半導体発光装置及びその製造方法に係り、
特に、光の外部への取り出し効率の改善方法に関する。
6に示す。図6(a)はランプ型の発光装置、図6
(b)は面実装チップ部品型の発光装置である。図6
(a)において、化合物半導体発光素子40はリードフ
レーム41上に銀ペースト等でダイボントされ、金線4
2でリードフレームとワイヤーボンドされている。そし
て、化合物半導体発光素子40は透光性樹脂43で樹脂
封止されている。
置であり、化合物半導体発光素子40はセラミックス基
板44の電気的導電層45上に銀ペースト等でダイボン
トされ、金線42で電気的導電層45とワイヤーボンド
されている。そして、化合物半導体発光素子40はその
外側を透光性樹脂43で樹脂封止されている。
は、例えば、GaAsやGaAlAs等の屈折率は3.
5程度あり、空気の屈折率1.0との屈折率差が大きい
ので、接合界面で発光した光を有効に外部に取り出すこ
とは困難で、光が内部に閉じ込められる割合が高い。こ
の内部に閉じ込められる要因は、界面での屈折率差によ
る反射である。屈折率NA=3.5の媒質(化合物半導
体)から屈折率NB=1.5の媒質(エポキシ樹脂)に
光が進むと、フレネルの式から、界面での反射率Rは、
R=((NA−NB)/(NA+NB))2 = 0.16
となり、R(%)=16%となる。
スネルの式から、Sin(θC)=NA、θC≒25°、
約25度となる。つまり、界面で16%の減衰を受ける
だけでなく、界面に対する法線より25度以上の角度に
ある光は全反射して、外部に取り出せないことになる。
5−190901号公報や特開平7―38148号公報
がある。
光素子及びその製造方法(出願人:シャープ株式会社)
では、図6に示されるように、発光素子(チップ)表面
を小さな多数のレンズ状とすることにより、外部効率の
向上を図っており、これを図7に示す。
7(a)はその上面図を示し、図7(b)はその断面図
を示す。図7(b)において、半導体発光素子(発光ダ
イオードLED)50はn型GaP基板51上に、n型
GaP成長層52、及びp型GaP成長層53が形成さ
れている。p型GaP成長層53には上面に多数個のレ
ンズ状部53aを形成したレンズ集積層が形成されてい
る。54は表面側のp型電極であり、55は裏面側のn
型電極である。エキシマレーザ光の制御により、所望の
形状のレンズ状部53aを形成し、前記の全反射の問題
に対処している。また、図7(a)において、50は半
導体発光素子、53aは多数個のレンズ状部、54は表
面側のp型電極である。
物半導体発光素子、発光ダイオード及び発光ダイオード
の製造方法(出願人:日立電線株式会社)では、化合物
半導体発光素子の表面に化合物半導体発光素子63と封
止樹脂65の間の屈折率を持つ物質で発光素子の上面に
反射防止膜60を形成するもので、これを図8に示す。
図8(a)の断面図において、63はDH構造AlG
aAs赤色発光ダイオードの構造を示し、p型GaAs
基板56上に、p型AlGaAsクラッド層57、p型
AlGaAs活性層58、n型AlGaAsウインドウ
層59の三層のエピタキシャル層と、その表面に形成さ
れた硫化亜鉛(屈折率2.25〜2.43)反射防止膜
60と表面電極61、及び裏面に形成された裏面電極6
2により構成されている。
ードの断面構造を示す図であり、リードフレーム64上
に赤色発光ダイオード63をマウントし、それを屈折率
1.55のエポキシ樹脂65でモールドしたもので、反
射防止膜60の形成により、外部発光出力を1.4〜
2.2倍向上している。66はリードフレーム64のリ
ードである。
特開平5−190901号公報では、全反射の問題を解
決するため、エキシマレーザ光の光加工技術により、一
個一個のレンズ状部を形成するため、その加工時間とコ
ストはかなり大きなものとなっている。
報では、反射防止膜の形成により、前面への光出射の反
射を約16%低減するものであるが、発光素子の側面か
ら出射光に対する対応はなされていない。また、反射防
止膜では全反射の臨界角を広くすることはできない。
るため、化合物半導体発光素子と封止樹脂界面での反射
率の低減及び全反射の臨界角を広くする安価な構造とそ
の製造方法を提供するものである。
半導体発光装置は、化合物半導体発光素子を透光性封止
材料により封止してなる半導体発光装置であり、該透光
性封止材料による封止構造が2重構造であり、且つ、該
化合物半導体発光素子の屈折率N1と、化合物半導体発
光素子に接する第1の透光性封止材料の屈折率N2と、
更にその外側を封止する第2の透光性封止材料の屈折率
N3との間に、N1>N2>N3>1の関係を有し、且つ、
第1の封止樹脂の厚さが一様でないことを特徴とするも
のである。
装置は、前記化合物半導体発光素子の1辺の長さをaと
する時、該第1の透光性封止材料による封止構造の大き
さは、化合物半導体発光素子の発光点の中央を中心とす
る半径rが、r>aである球状又はドーム状であること
を特徴とするものである。
装置は、第1の透光性封止材料は屈折率N2が1.6以
上である樹脂であり、第2の透光性封止材料がエポキシ
系樹脂であることを特徴とするものである。
装置の製造方法は、射出成形法により第1の透光性封止
材料を封止する第1の封止工程と、キャスティング法又
はトランファーモールド成形法で第2の透光性封止材料
を封止する第2の封止工程とを含むことを特徴とするも
のである。
装置の製造方法は、第1の透光性封止材料を加熱溶融
し、化合物半導体発光素子の周りに浸漬法又はポッティ
ング法により溶融状態の封止材料を付着させて封止する
第1の封止工程と、キャスティング法もしくはトランフ
ァーモールド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の
封止工程を含むことを特徴とするものである。
装置の製造方法は、粉末状もしくは顆粒状の前記第1の
透光性封止材料で前記化合物半導体発光素子を覆い且つ
加熱溶融して化合物半導体発光素子を封止する第1の封
止工程と、キャスティング法もしくはトランファーモー
ルド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の封止工程
とを含むことを特徴とするものである。
装置の製造方法は、前記第1の透光性封止材料を有機溶
剤に溶解させ、その溶液を前記化合物半導体発光素子の
周りに浸漬法又はポッティング法により付着させ、該溶
媒の溶剤を蒸発させて樹脂封止する第1の封止工程と、
キャスティング法もしくはトランファーモールド成形法
でエポキシ系樹脂を封止する第2の封止工程とを含むこ
とを特徴とするものである。
形態よりなる図である。
体発光装置の略断面図を示し、図1(a)はランプ型の
発光装置、図1(b)は面実装チップ部品型の発光装置
である。図1(a)において、化合物半導体発光素子1
0はリードフレーム11上に銀ペースト等でダイボント
され、金線12でリードフレームとワイヤーボンドされ
ている。そして、化合物半導体発光素子10は透光性高
屈折率樹脂13で封止(第1の樹脂封止)され、その外
側を透光性低屈折率樹脂14で封止(第2の樹脂封止)
されている。
ールカルバゾール(屈折率1.66)を有機溶剤(ジク
ロロエタン)に溶解して、化合物半導体発光素子10の
周りにポッティングし、有機溶剤を乾燥して、透光性高
屈折率樹脂による第1の樹脂封止(ポッティング法)を
行った。次にその外側をキャスティング法によりエポキ
シ系樹脂(透光性低屈折率樹脂14)で第2の樹脂封止
した。
置であり、化合物半導体発光素子10は液晶ポリマー樹
脂基板またはセラミックス基板15の電気的導電層16
上に銀ペースト等でダイボントされ、金線12で電気的
導電層16とワイヤーボンドされている。そして、化合
物半導体発光素子10は透光性高屈折率樹脂13で封止
され、その外側を透光性低屈折率樹脂14で封止され、
この透光性高屈折率樹脂13の封止方法は図1(a)で
説明したと同じ方法が用いられる。また、透光性低屈折
率樹脂14はトランスファーモールド成形法でエポキシ
系樹脂を封止した。また、トランスファーモールド成形
法に用いられるエポキシ系樹脂は熱硬化前でも固体状態
であり、一方キャスティング法に用いられるエポキシ系
樹脂は熱硬化前は液体状態であり、分子量の小さい材料
であるが、どちらもエポキシ系樹脂である。
半導体発光装置の略断面図を示し、図2(a)はランプ
型の発光装置、図2(b)は面実装チップ部品型の発光
装置である。図2(a)において、化合物半導体発光素
子10はリードフレーム11上に銀ペースト等でダイボ
ントされ、金線12でリードフレームとワイヤーボンド
されている。そして、化合物半導体発光素子10は透光
性高屈折率樹脂13で封止され、その外側を透光性低屈
折率樹脂14で封止されている。
ポリエーテルサルフォン(屈折率1.65)で化合物半
導体発光素子の周りを覆い、乾燥窒素ガスに置換した真
空オープン中で300℃に加熱して樹脂を溶融させ、一
旦減圧して気泡を除いた後、大気圧に戻して冷却し、第
1の封止(工程)をした。次にその外側をキャスティン
グ法によりエポキシ系樹脂(透光性低屈折率樹脂14)
で第2の封止(工程)をした。
で高屈折率樹脂を予め溶融して、リードフレームに搭載
した化合物半導体発光素子をディッピング(浸漬)する
ことにより行うことができる。ディップ法の場合は、化
合物半導体発光素子及び搭載部分(リードフレームのマ
ウント部)を予め加熱しておくことにより、樹脂との密
着を高めることができる。
子は大きさは0.2〜0.5mm角程度であり、その1
辺の長さをaとする時、透光性高屈折率樹脂構造の大き
さは化合物半導体発光素子の発光点の中央を中心とする
半径rがr>aである球状又はドーム状を包含する大き
さに選ばれる。この半径rの球状またはドーム状の大き
さを破線17で示す。
置であり、化合物半導体発光素子10は液晶ポリマー樹
脂基板またはセラミックス基板15の電気的導電層16
上に銀ペースト等でダイボントされ、金線12で電気的
導電層16とワイヤーボンドされている。そして、化合
物半導体発光素子10は透光性高屈折率樹脂13で封止
され、その外側を透光性低屈折率樹脂14で封止されて
いる。また、透光性高屈折率樹脂構造の大きさは化合物
半導体発光素子の発光点の中央を中心とする半径rが、
r>aである球状又はドーム状を包含する大きさに選ば
れる。この半径rの球状またはドーム状の大きさを破線
17で示す。
半導体発光装置の略断面図を示し、タイプはランプ型の
発光装置である。図3において、化合物半導体発光素子
10はリードフレーム11上に銀ペースト等でダイボン
トされ、金線12でリードフレームとワイヤーボンドさ
れている。そして、化合物半導体発光素子10は透光性
高屈折率樹脂13で封止され、その外側を透光性低屈折
率樹脂14で封止されている。
くすることできる。リードフレームに化合物半導体発光
素子を搭載し、成形金型にリードフレームをインサート
して、射出成形法で第1の樹脂封止を行う。化合物半導
体発光素子の1辺の長さをaとし、第1の樹脂封止の半
径をr0とすると、r0>>a、とし、十分大きいドーム
状に成形する第1の樹脂封止を行った。この場合、第1
の樹脂封止の大きさをリードフレームの幅よりも大きく
選ぶこともできる。第2の樹脂封止は、図1で説明した
ものと同様である。また、射出成形法では、外形形状を
規定できるため、第1の樹脂封止と第2の樹脂封止との
界面でレンズの機能を付与することが可能である。 こ
こで使用した第1の封止用高屈折率樹脂は、ポリエーテ
ルサルフォン(屈折率1.65)であったが、この外
に、ポリサルフォン(屈折率1.65)、ポリイミド
(屈折率1.72)、芳香族ポリアミド(屈折率1.8
9)等、樹脂の屈折率が1.6以上であれば、外部取り
出し効率の改善がはかれる。
形態よりなる例では、第1の封止樹脂の厚さが発光素子
の大きさに比べ十分大きいので、発光素子のどの部分か
ら放射した光も、第1と第2の封止界面ではほぼ垂直に
入射する状態となり、その結果全反射が無くなり、効率
よく光を外部に取り出すことができる。しかし、第1の
樹脂封止の厚さが光の波長の数倍程度以内であれば、第
1と第2の封止界面での反射率を小さくする効果しかな
い。
の長さをaとする時、前記第1の透光性封止材料による
封止構造の大きさが、化合物半導体発光素子の発光点の
中央を中心とする半径rがr>aである球状又はドーム
状を包含する大きさに選ばれているので、第1と第2の
封止界面ではほぼ垂直に入射する状態となり、その結果
全反射が無くなり、効率よく光を外部に取り出すことが
できる。
率の計算結果を示す。計算は、化合物半導体発光素子の
屈折率N1=3.5、第2の樹脂封止材料の屈折率N3=
1.5、として行った。第1の樹脂封止材料の屈折率N
2が、N2>1.6であれば効率は23%以上となり、つ
まりエポキシ樹脂だけで封止した場合(屈折率が1.5
の計算値)の19%と比較して、1.2倍以上の効率向
上が図れた。
おける光の外部への取り出し作用について、リードフレ
ーム11上マウントされた化合物半導体発光素子10か
らの光L1、L2を例に取り説明する。
の屈折率N1と、化合物半導体発光素子に接する第1の
透光性封止材料13の屈折率N2と、更にその外側を封
止する第2の透光性封止材料14の屈折率N3との間
に、N1>N2>N3>1の関係がある。化合物半導体発
光素子の発光点の中央Oから出た光L1aは第1の透光
性封止材料13と第2の透光性封止材料14との界面A
において、光の反射・全反射の作用を受ける。そして、
L1aはL1bとなり、界面Bで、光の反射・全反射の作
用を受け、L1cとなって空気中へ放射される。図示し
た別の光線、L2aは界面Cで光の反射・全反射の作用
を受けてL2bとなり、界面Dで、光の反射・全反射の
作用を受けてL2cとなって空気中へ放射される。
ないためその表面は屈曲面となり、仮に界面Aにおいて
全反射となる場合も、2度目の入射光の角度が変化する
ため、外側の第2の透光性封止材料14へ出ていく光が
増加する。屈折率が、N1>N2>N3>1の関係にある
ため、それぞれの入射角は、θ1<θ2、θ3<θ4の関係
になっている。
は大きさは0.2〜0.4mm角程度であり、その1辺
の長さをaとし、透光性高屈折率樹脂構造の大きさは化
合物半導体発光素子の発光点の中央を中心とする半径r
が、r>aである球状又はドーム状を包含する大きさに
選ばれる。この半径rの球状またはドーム状の大きさを
破線17で示す。この構造とすることにより、第1の透
光性封止材料13は化合物半導体発光素子10の外周を
完全に覆うことができ、化合物半導体発光素子10の接
合界面で発生した光を有効に取り出すことができる。
半導体発光装置によれば、屈折率の高い第1の透光性封
止材料と屈折率の低い第2の透光性封止材料とによる2
重構造の封止を行うので、化合物半導体発光素子と封止
材料と空気との屈折率差が小さくなり、反射率の低減効
果がある。さらに第1の封止樹脂の厚さが一様でないの
で、第2の封止樹脂の界面で全反射しても、再度界面に
入射する時は、入射角度が変わり、全反射を起こさずに
外部へ出る光が増加するため、外部への光取り出し効率
が改善される。
装置によれば、前記化合物半導体発光素子の1辺の長さ
をaとする時、該第1の透光性封止材料による封止構造
の大きさは、化合物半導体発光素子の発光点の中央を中
心とする半径rが、r>aである球状又はドーム状であ
ることを特徴とするものであり、化合物半導体発光素子
のどの発光位置からでた光も、第1の封止樹脂と第2の
封止樹脂との界面では全反射の臨界角内に入射し、効率
よく光を取り出すことが可能となる。更に、第1の封止
の形状を球状あるいはドーム状とすることで、化合物半
導体発光素子の界面での全反射を確実に防ぐことが可能
となる。
装置によれば、第1の透光性封止材料は屈折率N2が
1.6以上である樹脂であり、第2の透光性封止材料が
エポキシ系樹脂であることを特徴とするものであり、光
の外部取り出し効率を高めることができる。
装置の製造方法によれば、射出成形法により第1の透光
性封止材料を封止する第1の封止工程と、キャスティン
グ法又はトランファーモールド成形法で第2の透光性封
止材料を封止する第2の封止工程とを含むことを特徴と
するものである。従って、従来の半導体発光装置の製造
工程に第1の封止工程を追加するだけで、半導体発光装
置の外形形状を変更することなしに、半導体発光装置の
明るさを増加することができる。更に、第1の封止工程
を射出成形法により行うので、封止形状が一定となり、
安定した光学特性が得られる。
装置の製造方法によれば、第1の透光性封止材料を加熱
溶融し、化合物半導体発光素子の周りに浸漬法又はポッ
ティング法により溶融状態の封止材料を付着させて封止
する第1の封止工程と、キャスティング法もしくはトラ
ンファーモールド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第
2の封止工程を含むことを特徴とするものである。従っ
て、従来の半導体発光装置の製造工程に第1の封止工程
を追加するだけで、半導体発光装置の外形形状を変更す
ることなしに、半導体発光装置の明るさを増加すること
ができる。更に、第1の封止工程を浸漬法又はポッティ
ング法により行うので、安価な封止工程を得ることがで
きる。
装置の製造方法によれば、粉末状もしくは顆粒状の前記
第1の透光性封止材料で前記化合物半導体発光素子を覆
い且つ加熱溶融して化合物半導体発光素子を封止する第
1の封止工程と、キャスティング法もしくはトランファ
ーモールド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の封
止工程とを含むことを特徴とするものである。従って、
従来の半導体発光装置の製造工程に第1の封止工程を追
加するだけで、半導体発光装置の外形形状を変更するこ
となしに、半導体発光装置の明るさを増加することがで
きる。更に、第1の封止工程を粉末状もしくは顆粒状の
透光性封止材料を化合物半導体発光素子に配し、加熱溶
融して化合物半導体発光素子を封止するため、一度に多
数の半導体発光装置の第1の封止工程を行うことができ
る。
装置の製造方法によれば、前記第1の透光性封止材料を
有機溶剤に溶解させ、その溶液を前記化合物半導体発光
素子の周りに浸漬法又はポッティング法により付着さ
せ、該溶媒の溶剤を蒸発させて樹脂封止する第1の封止
工程と、キャスティング法もしくはトランファーモール
ド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の封止工程と
を含むことを特徴とするものである。従って、従来の半
導体発光装置の製造工程に第1の封止工程を追加するだ
けで、半導体発光装置の外形形状を変更することなし
に、半導体発光装置の明るさを増加することができる。
更に、第1の封止工程を有機溶剤に溶解させた封止樹脂
を浸漬法又はポッティング法により行うため、特別な硬
化装置などの製造設備を必要としない。
の略断面図を示し、(a)はランプ型の発光装置を示す
図であり、(b)は面実装チップ部品型の発光装置を示
す図である。
装置の略断面図を示し、(a)はランプ型の発光装置を
示す図であり、(b)は面実装チップ部品型の発光装置
を示す図である。
装置の略断面図を示し、ランプ型の発光装置を示す図で
ある。
による光の外部取り出し効率の計算結果を示す図であ
る。
取り出し作用についての説明図である。
(a)はランプ型の発光装置を示す図であり、(b)は
面実装チップ部品型の発光装置を示す図である。
(a)はその上面図を示す図であり、(b)はその断面
図を示す図である。
(a)は断面図を示す図であり、(b)はAlGaAs
赤色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 化合物半導体発光素子を透光性封止材料
により封止してなる半導体発光装置において、該透光性
封止材料による封止構造が2重構造であり、且つ、該化
合物半導体発光素子の屈折率N1と、化合物半導体発光
素子に接する第1の透光性封止材料の屈折率N2と、更
にその外側を封止する第2の透光性封止材料の屈折率N
3との間に、N1>N2>N3>1の関係を有し、且つ、第
1の封止樹脂の厚さが一様でないことを特徴とする半導
体発光装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体発光装置におい
て、前記化合物半導体発光素子の1辺の長さをaとする
時、該第1の透光性封止材料による封止構造の大きさ
は、化合物半導体発光素子の発光点の中央を中心とする
半径rがr>aである球状又はドーム状を包含する大き
さであることを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の半導体発光装置におい
て、第1の透光性封止材料は屈折率N2が1.6以上で
ある樹脂であり、第2の透光性封止材料がエポキシ系樹
脂であることを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項4】 請求項1記載の半導体発光装置の製造方
法において、射出成形法により第1の透光性封止材料を
封止する第1の封止工程と、キャスティング法又はトラ
ンファーモールド成形法で第2の透光性封止材料を封止
する第2の封止工程とを含むことを特徴とする半導体発
光装置の製造方法。 - 【請求項5】 請求項1記載の半導体発光装置の製造方
法において、第1の透光性封止材料を加熱溶融し、化合
物半導体発光素子の周りに浸漬法又はポッティング法に
より溶融状態の封止材料を付着させて封止する第1の封
止工程と、キャスティング法もしくはトランファーモー
ルド成形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の封止工程
を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項6】 請求項1記載の半導体発光装置の製造方
法において、粉末状もしくは顆粒状の前記第1の透光性
封止材料で前記化合物半導体発光素子を覆い且つ加熱溶
融して化合物半導体発光素子を封止する第1の封止工程
と、キャスティング法もしくはトランファーモールド成
形法でエポキシ系樹脂を封止する第2の封止工程とを含
むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 【請求項7】 請求項1記載の半導体発光装置の製造方
法において、前記第1の透光性封止材料を有機溶剤に溶
解させ、その溶液を前記化合物半導体発光素子の周りに
浸漬法又はポッティング法により付着させ、該溶媒の溶
剤を蒸発させて樹脂封止する第1の封止工程と、キャス
ティング法もしくはトランファーモールド成形法でエポ
キシ系樹脂を封止する第2の封止工程とを含むことを特
徴とする半導体発光装置の製造方法。
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