JPWO2012132232A1 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

凹部を有する樹脂からなるパッケージと、凹部の底面に露出したリードフレーム（１１）と、凹部内のリードフレーム（１１）に設置された半導体発光素子（１４）と、凹部内のリードフレーム（１１）と接し底面を覆うように形成された樹脂層（１７）と、樹脂層（１７）および半導体発光素子（１４）の上に形成された量子ドット蛍光体層（１９）とを備え、樹脂層（１７）は、セラミックス微粒子（１５）を有し、量子ドット蛍光体層（１９）は、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子と、半導体微粒子を分散保持する樹脂とを含む。

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に、量子ドット蛍光体を用いた半導体発光装置に関するものである。
照明用、液晶ディスプレイバックライト用などの光源として高輝度白色ＬＥＤが用いられており、光源の高効率化および高演色性化の取り組みが行われている。白色ＬＥＤは、青色光を放射する半導体発光素子と緑、黄、赤色蛍光体などを組み合わせることで実現している。蛍光体の種類は、無機蛍光体、有機蛍光体、半導体から構成される量子ドット蛍光体がある。無機蛍光体を用いた白色ＬＥＤの例として、特許文献１のようなものがある。
図９は、特許文献１に開示された従来の半導体発光装置を示す断面図である。
図９に示すように、従来の半導体発光装置は、紫外線、青色光あるいは緑色光を放出する半導体発光素子１が、電気端子２、３が埋め込まれた容器８内に配置されたものであり、さらに、半導体発光素子１を埋めるように発光物質粒子６（無機の発光物質顔料）を含有する材料５が容器８内を覆っている。
特表平１１−５００５８４号公報
ＬＥＤ光源は小型で省電力なため、ディスプレイデバイスや照明装置のキーデバイスとして用いられており、高輝度白色ＬＥＤの高効率化および高演色性化の取り組みが行われている。白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤ光源と緑色蛍光体や黄色蛍光体との組み合わせが一般的であり、高効率・高演色性の実現には発光特性やエネルギー変換効率の優れた蛍光体が求められている。白色ＬＥＤに用いられる一般的な蛍光体は、希土類イオンを付活剤とした結晶微粒子であり、化学的に安定なものが多い。しかし、これらの蛍光体の光吸収効率は希土類の濃度に比例している一方で、濃度が高すぎると濃度消光によって発光効率の低下が生じるため、８０％以上の高い量子効率を実現するのが困難であった。
そこで、バンド端光吸収・発光を直接利用することで高い量子効率を実現する半導体蛍光微粒子が多数提案されており、特に量子ドット蛍光体と呼ばれる直径が数ｎｍから数十ｎｍの微粒子が、希土類を含まない新しい蛍光体材料として期待されている。量子ドット蛍光体は、量子サイズ効果によって同一材料の微粒子でも粒子径を制御することで可視光線領域において所望の波長帯の蛍光スペクトルを得ることが出来る。また、バンド端による光吸収・蛍光であるため、９０％程度の高い外部量子効率を示すことから、高効率・高演色性を有する白色ＬＥＤを提供することができる。
また、この量子ドット蛍光体を用いて白色ＬＥＤ等の発光装置を構成する場合、特許文献１記載の容器８のような構成では注型エポキシ樹脂層の熱伝導率が小さいため、ヒートシンクとなるパッケージおよびフレーム樹脂層から離れた領域では、量子ドット蛍光体のストークスロスによる発熱によって樹脂層が高温化する。この結果、量子ドット蛍光体の温度が上昇して量子ドット蛍光体の劣化が生じて、発光効率が低下するという問題がある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、量子ドット蛍光体の温度上昇を抑制して発光効率の低下を抑えることができる半導体発光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る第１の半導体発光装置の一態様は、凹部を有する樹脂からなるパッケージと、前記凹部の底面に露出したリードフレームと、前記凹部内のリードフレームに設置された半導体発光素子と、前記凹部内のリードフレームと接し底面を覆うように形成された第１の樹脂層と、前記第１の樹脂層および前記半導体発光素子の上に形成された第２の樹脂層とを備え、前記第１の樹脂層は、セラミックス微粒子を有し、前記第２の樹脂層は、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子と、前記半導体微粒子を分散保持する樹脂とを含むことを特徴とする。
この構成により、第１の樹脂層にセラミックス微粒子が含まれているので、第１の樹脂層の実効的な熱伝導率を増大させることができる。これにより、半導体微粒子を含む第２の樹脂層の放熱性を向上させることができるので、半導体微粒子の温度上昇を抑制することができる。従って、半導体微粒子が温度上昇によって劣化して発光効率が低下することを抑制することができる。これにより、高効率で高信頼性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１の半導体発光装置の一態様において、前記第２の樹脂層は透明基板の中に封入されており、前記透明基板と前記パッケージとに囲まれた領域は、前記第１の樹脂層で充填されていることが好ましい。
この構成により、半導体微粒子（量子ドット蛍光体）が酸素と触れないので、半導体微粒子の酸素による劣化を抑制することができる。これにより、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１の半導体発光装置の一態様において、前記第１の樹脂層と前記半導体発光素子との間にセラミックス微粒子を含まない第３の樹脂層を有することが好ましい。
この構成により、セラミックス微粒子を含まない熱伝導率の小さい第３の樹脂層によって半導体発光素子を熱的に遮蔽することができる。これにより、半導体微粒子（量子ドット蛍光体）の温度上昇を一層抑制することができるので、高輝度で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１の半導体発光装置の一態様において、前記第２の樹脂層は、電着法によって電気伝導性領域を有する透明基板表面に形成され、かつ、前記半導体発光素子と対向するように前記パッケージ上部に配置されており、前記パッケージの内側は、前記第１の樹脂層で充填されていることが好ましい。
この構成により、耐酸素性樹脂に半導体微粒子（量子ドット蛍光体）を均一分散させることができる。これにより、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
また、本発明に係る第２の半導体発光装置の一態様は、パッケージ上に実装された半導体発光素子と波長を変換する蛍光体層と透明樹脂層からなる半導体発光装置であって、前記透明樹脂層はパッケージの排熱領域と接して半導体発光素子を封入しており、前記透明樹脂層はセラミックス微粒子を含有しており、前記蛍光体層は粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子と前記半導体微粒子を分散保持する樹脂から構成されており、前記透明樹脂層の上部に接して設けられているものである。
この構成であれば、熱伝導率の良いセラミックス微粒子を樹脂に分散させることから、熱電率の良い透明樹脂層を形成することができ、高出力励起光源を用いた場合においても、半導体微粒子（量子ドット蛍光体）を含有する蛍光体層から効率の良い放熱ができる。これにより、高輝度で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第２の半導体発光装置の一態様において、前記セラミックス微粒子を含有する透明樹脂と半導体発光素子との間にセラミックス微粒子を含まない第２の透明樹脂層を設けることが好ましい。
この構成によれば、セラミックス微粒子を含まない熱伝導率の小さい第２の透明樹脂層によって半導体発光素子を熱的に遮蔽することができる。これにより、蛍光体層の温度上昇を抑制することができるので、高輝度で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第２の半導体発光装置の一態様において、前記蛍光体層が透明基板の中に封入されており、前記透明基板とパッケージに囲まれた領域は前記透明樹脂層で充填されていることが好ましい。
この構成によれば、半導体微粒子（量子ドット蛍光体）が酸素と触れないので、半導体微粒子の酸素による劣化を抑制することができる。これにより、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第２の半導体発光装置の一態様において、前記蛍光体層は電着法によって電気伝導性領域を有する透明基板表面に形成されており、前記半導体発光素子と対向するようにパッケージ上部に配置されており、前記パッケージの内側は、前記セラミックス微粒子を含有する透明樹脂層で充填されていてもよい。
この構成によれば、耐酸素性樹脂に半導体微粒子（量子ドット蛍光体）を均一分散させることが可能であることから、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第３の半導体発光装置の一態様は、凹部を有するパッケージと、前記パッケージに実装された半導体発光素子と、前記パッケージ内に形成され、波長を変換する蛍光体とセラミックス微粒子とが分散保持された樹脂層とを備え、前記蛍光体は、量子ドット蛍光体が１個または複数個集まった集合体からなり、前記集合体は、透明なアクリル樹脂膜またはシリコン酸化物によって被覆されており、前記半導体発光素子は、前記樹脂層によって被覆されていることを特徴とする。
この構成によれば、セラミックス微粒子を含む熱伝導率の良い樹脂層に半導体微粒子（量子ドット蛍光体）が分散含有されることから、半導体微粒子の自己発熱を効率良く散逸させることができる。さらに、量子ドット蛍光体の表面がアクリル樹脂膜またはシリコン酸化物によって被膜されているので、量子ドット蛍光体の光酸化による劣化を抑制することができる。このように、本態様では、量子ドット蛍光体の温度上昇の抑制と量子ドット蛍光体の光酸化の抑制との両立を図ることができるので、高効率、高輝度で、高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１〜第３の半導体発光装置の一態様において、前記セラミックス微粒子は可視光線を反射する白色微粒子であってもよい。
この構成によれば、半導体発光素子から出射した光が蛍光体層（または、蛍光体や半導体微粒子を含む樹脂層）に均一に照射されるため、光ムラの無い半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１〜第３の半導体発光装置の一態様において、前記セラミックス微粒子は可視光線を透過する透明微粒子であってもよい。
この構成によれば、半導体発光素子の光は損失することなく蛍光体層（または、蛍光体や半導体微粒子を含む樹脂層）に照射されるため、高効率な半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１〜第３の半導体発光装置の一態様において、前記セラミックス微粒子はダイヤモンド微粒子であってもよい。
この構成によれば、熱伝導率が高いダイヤモンド微粒子によって蛍光体層（または、蛍光体や半導体微粒子を含む樹脂層）の温度上昇を抑制することができるので、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明に係る第１〜第３の半導体発光装置の一態様において、前記セラミックス微粒子は、前記半導体発光素子の光を吸収し、前記蛍光体の励起光を蛍光として放射するものであってもよい。
この構成によれば、セラミックス微粒子によって半導体発光素子の光が波長変換されるので、高い演色性の半導体発光装置を提供できる。さらに、セラミックス微粒子によって半導体発光素子の光を波長変換することで半導体微粒子（蛍光体）のストークスロスが小さくなり自己発熱を抑制することが可能となることから、高信頼性の半導体発光装置を提供できる。
さらに、本発明の半導体発光装置において、前記セラミックス微粒子の粒子直径が１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることを特徴とする。
この構成であれば、可視光線を効率良く散乱させ、蛍光体に照射することができるため、高効率で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
本発明によれば、樹脂層にセラミックス微粒子が含まれているので、樹脂層の熱伝導率を大きくすることができる。これにより、蛍光体や半導体微粒子の自己発熱による温度上昇を抑制することできる。従って、高信頼性で高効率の半導体発光装置を提供することが出来る。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の断面概略図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の組立工程断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の断面概略図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置における電着工程を説明するための概念図である。 図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の断面概略図である。 図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置の断面概略図である。 図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置の組立工程断面図である。 図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体発光装置の断面概略図である。 図９は、従来の半導体発光装置の断面図である。
以下、本発明に係る半導体発光装置について図面を参照しながら説明するが、本発明は、請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、各図において同じ構成要素には同じ符号を付している。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の断面概略図である。本実施の形態ではパッケージとしてリードフレームパッケージを用いている。また、本実施の形態に係る半導体発光装置は、白色光を放出する白色ＬＥＤ光源である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置は、凹部を有する樹脂からなるパッケージを有し、リードフレーム１１と絶縁樹脂層１２と光反射樹脂層１３とを備える。リードフレーム１１はパッケージの凹部の底面から露出しており、凹部内のリードフレーム１１上には半導体発光素子１４として発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が実装されている。ＬＥＤからなる半導体発光素子１４のＰ電極およびＮ電極は、リードフレーム１１に対して金ワイヤー１６で電気的接点が取られている。
半導体発光素子１４を封入する様に、パッケージ内には、透明樹脂からなる樹脂層１７（第１の樹脂層）が充填されている。本実施の形態では、透明基板であるガラス板１８とパッケージとに囲まれた領域が樹脂層１７で充填されている。樹脂層１７は、パッケージの凹部内のリードフレーム１１と接し、凹部の底面を覆うように形成されている。樹脂層１７中には、セラミックス微粒子１５が分散されている。
量子ドット蛍光体層１９（第２の樹脂層）は、樹脂層１７および半導体発光素子１４の上に形成された蛍光体層である。本実施の形態において、量子ドット蛍光体層１９は、ガラス板１８に封止された状態で、パッケージ内に充填された樹脂層１７に接して配置されている。量子ドット蛍光体層１９は、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子（量子ドット蛍光体）と、半導体微粒子を分散保持する樹脂とを含む。
このように、本実施の形態では、蛍光体層である量子ドット蛍光体層１９をガラス板１８に封入したものを用いている。具体的には、量子ドット蛍光体層１９をアクリル樹脂に分散させて２枚のガラスで挟んだ構造としている。ガラス板１８の外周は、アクリル樹脂が直接空気に触れないようにエポキシ樹脂で封止されている。
本実施の形態における樹脂層１７の樹脂材料としてはシリコーン樹脂を用いた。シリコーン樹脂の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫ程度と小さい値であり、このままでは、量子ドット蛍光体層１９の十分な放熱ができないため、ストークスロスによる自己発熱によって量子ドット蛍光体が高温化し発光効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、熱伝導率の良いセラミックス微粒子１５をシリコーン樹脂に含有させることで、樹脂層１７の実効的な熱伝導率を増大させ、量子ドット蛍光体層１９の温度上昇を抑制している。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、樹脂層１７（第１の樹脂層）にセラミックス微粒子が含まれているので、樹脂層１７の実効的な熱伝導率を増大させることができる。これにより、量子ドット蛍光体層１９（第２の樹脂層）の放熱性を向上させることができるので、量子ドット蛍光体層１９の温度上昇を抑制することができる。従って、量子ドット蛍光体層１９内の量子ドット蛍光体（半導体微粒子）が温度上昇によって劣化して発光効率が低下することを抑制することができる。これにより、高効率で高信頼性の半導体発光装置を提供できる。
また、本実施の形態では、量子ドット蛍光体層１９がガラス板１８に封入されている。この構成により、量子ドット蛍光体層１９内の量子ドット蛍光体が酸素と触れないので、量子ドット蛍光体の酸素による劣化を抑制することができる。これにより、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
なお、本実施の形態において、セラミックス微粒子１５としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた。ＡｌＮは、熱伝導率が約２００Ｗ／ｍＫであり、シリコーン樹脂と比べて熱伝導率が約３桁も大きい。また、ＡｌＮは、バンドギャップが６ｅＶ以上であるため可視光線領域の光に対して透明である。従って、セラミックス微粒子１５としてはＡｌＮ微粒子を用いること好ましい。セラミックス微粒子１５としてＡｌＮを用いる場合、例えば、ＡｌＮを粉砕して微粒子化し、シリコーン樹脂に混合した後、パッケージ内に注入充填し、１５０℃に加熱して硬化させればよい。また、本実施の形態では、ＡｌＮ微粒子をシリコーン樹脂に体積比率１０ｖｏｌ％で含有させた。この場合、シリコーン樹脂の実効的な熱伝導率は１４．３Ｗ／ｍＫとなった。
また、本実施の形態では、セラミックス微粒子１５としてＡｌＮ微粒子を用いたが、樹脂層１７に分散させる材料としては半導体発光素子１４の発光を吸収しない材料を用いればよく、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＧａＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、または、ＺｎＯ２などでも良い。特にＡｌＮやＧａＮは熱伝導率が高いため低濃度に分散させた場合であってもシリコーン樹脂の実効的な熱伝導率を増大させることが可能である。
また、本実施の形態では、樹脂層１７の上部に、量子ドット蛍光体層１９を有するガラス板１８を設置している。このとき、放熱断面積を大きくするために、樹脂層１７とガラス板１８とを密着させることが好ましい。
次に、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の製造方法（組み立て方法）について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光装置の組み立て工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように、リードフレーム１１からなるリードフレームパッケージ上に、半導体発光素子１４としてＬＥＤを実装する。
その後、図２（ｂ）に示すように、ワイヤーボンディング工程を行って、半導体発光素子１４に金ワイヤー１６を接続する。
その後、図２（ｃ）に示すように、セラミックス微粒子１５を含有したシリコーン樹脂を注入して樹脂層１７を形成する。このとき、凹型パッケージの凹部から少し盛り上がるようにシリコーン樹脂を注入する。
次に、図示しないが、シリコーン樹脂中に残存する気体を除去する脱泡処理を行う。本実施の形態では、油回転ポンプに接続した真空室内に、シリコーン樹脂を注入したＬＥＤを入れて３０分放置した。
次に、図２（ｄ）に示すように、量子ドット蛍光体層１９を保持したガラス板１８（ガラスプレート）によって盛り上がった樹脂層１７（シリコーン樹脂）を押さえ付けるように、ガラス板１８と樹脂層１７とを接着させる。このようにすることで、樹脂層１７は、ガラス板１８に押されて横に広がると共に、均一にガラス板１８と接することができる。
最後に、図示しないが、加熱することによってシリコーン樹脂を熱硬化させることで、図１に示す半導体発光装置を製造することができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置について説明する。
実施の形態１では蛍光体層として量子ドット蛍光体層をガラス板に封入したものを用いたが、２枚のガラス板で挟み込んだ構造では、量子ドット蛍光体層がガラス板によって熱的に遮蔽されることから、セラミックス含有樹脂層による放熱が十分になされない。
また、量子ドット蛍光体層をガラス板に封入した構造の場合、ガラス封止の機密性を十分に確保することが困難であったり、量子ドット蛍光体層内における量子ドット蛍光体の均一な分散が困難であったりなど、別の課題もある。
そこで、量子ドット蛍光体を層内に均一に分散させ、かつ量子ドット蛍光体層とセラミックス含有樹脂層とが接する構成とすることが好ましい。
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置の断面概略図である。
図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る半導体発光装置では、量子ドット蛍光体樹脂層２２（第２の樹脂層）が、電着法によって電気伝導性領域を有する透明基板の表面に形成されており、かつ、半導体発光素子１４と対向するようにパッケージ上部に配置されている。また、パッケージの内側は樹脂層１７（第１の樹脂層）で充填されており、樹脂層１７は、量子ドット蛍光体樹脂層２２を含む封止部材によって封止されている。
本実施の形態では、樹脂層１７を封止する封止部材として、透明なガラス板２０（透明基板）の表面上に透明電極膜２１（電気伝導性領域）としてＩＴＯ薄膜を形成し、その上部に電着法を用いて量子ドット蛍光体樹脂層２２（第２の樹脂層）を成膜したものを用いている。ＩＴＯ薄膜は、スパッタ法を用いて作製することができる。このように構成された封止部材は、量子ドット蛍光体樹脂層２２がセラミックス微粒子１５を含有する樹脂層１７に接するように配置されている。
ここで、蛍光体層として機能する量子ドット蛍光体樹脂層２２の製造方法について説明する。量子ドット蛍光体は、水溶性または水分散性樹脂溶剤とエマルジョン化させることで均一な分散を実現する。本実施の形態では、電着樹脂としてエポキシ系樹脂を用いた。エポキシ系樹脂はシリコーン樹脂に比べると酸素透過性が２桁から３桁ほど低い材料であり、アミン化することで水溶性化または水分散性化が容易な樹脂の一つである。また、エポキシ系樹脂以外にもフッ素系樹脂も高い酸素バリア性および高い耐湿性を有しており、量子ドット蛍光体をこれらの樹脂に分散させることで光酸化反応を抑制することが可能である。水溶性樹脂は水溶液中で樹脂分子骨格の一部がイオン化または電気的極性を有しており、樹脂分子の極性箇所やイオン化領域が水和によって安定化するため水に溶解または分散してエマルジョン化することができる。このとき蛍光体微粒子のサイズが大きいと、樹脂分子による捕捉が十分行われず、沈降・沈殿が生じてしまう。一方、量子ドット蛍光体は１ｎｍ〜２０ｎｍ程度であり水溶性樹脂分子と同等、またはそれ以下のサイズであるため、樹脂溶液へ均一にかつ高濃度で分散させることが可能となる。
本発明に係る半導体微粒子は、ＩｎＰを核とする直径１ｎｍから１０ｎｍ程度の量子ドット蛍光体であるが、蛍光体の材料は水に溶解しなければよく、ＩｎＰ以外にもカドミウム系量子ドット蛍光体やカルコゲナイド系微粒子などでも良い。
量子ドット蛍光体の多くは、発光効率の向上や信頼性向上を目的としたコア−シェル構造と呼ばれる２層または３層構造を有しているが、水溶性樹脂溶剤へ効率良く分散をさせるためには、量子ドット蛍光体の最外層の化学的特性が重要となる。量子ドット蛍光体のエマルジョン化はアルキル主鎖との相互作用の結果であり、蛍光体微粒子の最外層は無極性や極性の弱い配位子や層から構成されることが必要となる。この構成によって量子ドット蛍光体は疎水性相互作用により樹脂主鎖に捕捉される。
なお、本実施の形態で用いた量子ドット蛍光体は、３層構造であり、コアはＩｎＰであり、その外側にＺｎＳから成るシェル層を有している。最外層は、オクタン系の炭化水素を配位子として結合させたリガンド層を設けている。最外層に疎水性の強い炭化水素からなるリガンド層を設けることで、水溶液中で効率良く量子ドット蛍光体が樹脂分子の主鎖に捕捉される。その結果、高濃度で高均一に量子ドットをエマルジョン化させることが可能となる。樹脂溶剤との分散性を高める上では、分子量が小さいほうが好ましい。具体的には、室温で液体として存在することが出来ることが必要であるため、炭素数が１５個以下でなければならない。
本実施の形態において、量子ドット蛍光体樹脂層２２は、カチオン電着法を用いて形成した。図４は、その電着工程を説明するための概略図である。
図４に示すように、量子ドット蛍光体２４を分散させたエポキシ系の樹脂溶液２３にカソード電極２６と対向電極であるアノード電極２５とを浸す。エポキシ系樹脂はアミン化（陽イオン化）しており、カソード電極２６に被塗物を用いることで電着膜２７が被塗物上に成膜される。一方、樹脂溶剤が酸系であれば、被塗物をアノード電極とすることでアニオン型電着法となる。これらの方法で得られた電着膜２７（樹脂塗膜）は、乾燥工程および硬化工程を経て最終形成され、量子ドット蛍光体樹脂層２２が得られる。電着法では、通電する領域のみ樹脂層が形成されることから、ＩＴＯ膜上の所望の位置を絶縁性レジストで保護することで、電着による樹脂形成のパターニングが可能である。
なお、本実施の形態では、パッケージの外周部分とガラス板とが接する領域には電着層を形成させないようにレジストで保護して電着を行った。また、本実施の形態では樹脂溶液２３としてエポキシ樹脂を用いたが、フッ素系樹脂を用いてもよい。これらの樹脂は、耐酸素性および耐湿性に優れた樹脂であることから、量子ドット蛍光体の劣化を効果的に抑制することが可能となる。また、作製した量子ドット蛍光体樹脂層２２は、セラミックス微粒子１５を含有する樹脂層１７と接するように配置し、実施の形態１と同様の方法で熱硬化させる。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、実施の形態１と同様に、セラミックス微粒子を含有させることで樹脂層１７（第１の樹脂層）の実効的な熱伝導率を増大させることができる。これにより、量子ドット蛍光体樹脂層２２（第２の樹脂層）の放熱性を向上させることができ、量子ドット蛍光体樹脂層２２の温度上昇を抑制することができる。従って、量子ドット蛍光体樹脂層２２内の量子ドット蛍光体（半導体微粒子）が温度上昇によって劣化して発光効率が低下することを抑制することができる。
しかも、本実施の形態では、量子ドット蛍光体樹脂層２２が樹脂層１７に接するように配置されているので、実施の形態１と比べて、量子ドット蛍光体樹脂層２２の放熱性をさらに向上させることができる。
また、本実施の形態では、量子ドット蛍光体樹脂層２２が、電着法によって電気伝導性領域を有する透明基板の表面に形成されているので、耐酸素性樹脂に量子ドット蛍光体を均一に分散させることができる。これにより、高信頼性で高演色性の半導体発光装置を提供できる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置について説明する。
実施の形態１、２では、セラミックス微粒子１５が含有された樹脂層１７に接して設けられる蛍光体層（量子ドット蛍光体層１９、量子ドット蛍光体樹脂層２２）は、ガラス基板を有するように構成されていたが、ガラス基板は必ずしも必要ではない。
そこで、実施の形態３では、ガラス基板を用いずに、蛍光体層として、量子ドット蛍光体を含有した樹脂フィルムを用いている。
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体発光装置の断面概略図である。
図５に示すように、本実施の形態に係る半導体発光装置では、樹脂層１７（第１の樹脂層）の上に形成したシリコーン樹脂からなる透明な樹脂層３０内に量子ドット蛍光体フィルム３１（第２の樹脂層）を設けている。量子ドット蛍光体フィルム３１は、フレキシブル透明導電性基板上に電着法によって量子ドット蛍光体を含有した樹脂層を形成することで作製した。
量子ドット蛍光体フィルム３１は、シリコーン樹脂からなる樹脂層１７の上部に乗せた状態でシリコーン樹脂の熱硬化を行うことで取り付けても良いが、量子ドット蛍光体フィルム３１とシリコーン樹脂との密着性をより高めるためには、量子ドット蛍光体フィルム３１を樹脂層の内部に埋め込むほうが好ましい。
そこで、本実施の形態では、量子ドット蛍光体フィルム３１を樹脂層１７の上に配置して、量子ドット蛍光体フィルム３１の上部から再度シリコーン樹脂からなる樹脂層３０を注入し熱硬化している。この構成であれば、量子ドット蛍光体フィルム（樹脂フィルム）が剥がれる事はなく、高い信頼性を有する半導体発光装置を提供できる。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、実施の形態１と同様に、樹脂層１７（第１の樹脂層）にセラミックス微粒子が含まれているので、樹脂層１７の実効的な熱伝導率を増大させることができる。これにより、量子ドット蛍光体フィルム３１（第２の樹脂層）の放熱性を向上させることができるので、量子ドット蛍光体フィルム３１の温度上昇を抑制することができる。従って、量子ドット蛍光体フィルム３１内の量子ドット蛍光体（半導体微粒子）が温度上昇によって劣化して発光効率が低下することを抑制することができる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置について説明する。
セラミックス微粒子を含有した樹脂は熱伝導率が増大するため、ストークスロスによる蛍光体層の発熱を放熱させることが出来る一方、熱が伝わりやすいために蛍光体層はＬＥＤの動作に伴う自己発熱の影響を受けやすくなる。特にＬＥＤを高出力動作させる場合、その接合温度は１００度を超える場合もあるため、蛍光体層の劣化を加速させる恐れがある。
そこで、実施の形態４では、蛍光体層の発熱をリードフレームの導電性領域に放熱させると同時に、ＬＥＤの発熱が蛍光体層に伝わらないようにするために、ＬＥＤを、セラミックス微粒子を含まない樹脂層によって封入した。
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置の断面概略図である。
図６に示すように、本実施の形態に係る半導体発光装置では、実施の形態１における半導体発光装置において、さらに、樹脂層１７（第１の樹脂層）と半導体発光素子１４との間に樹脂層４０（第３の樹脂層）が形成されている。樹脂層４０は、セラミックス微粒子が含まれておらず、シリコーン樹脂等からなる透明樹脂のみによって構成された透明樹脂層である。本実施の形態において、半導体発光素子１４は、樹脂層４０の中に封入されている。
樹脂層４０は、セラミックス微粒子が含まれておらず、樹脂層１７と比べて熱伝導率が低い。この結果、半導体発光素子１４の熱は樹脂層４０によって遮蔽されるため、半導体発光素子１４を高出力動作させる場合であっても、半導体発光素子１４の熱が量子ドット蛍光体層１９に伝わることを抑制することができる。これにより、樹脂層１７によって量子ドット蛍光体層１９の温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、セラミックス微粒子を含む樹脂層１７（第１の樹脂層）によって量子ドット蛍光体層１９（第２の樹脂層）の放熱性を向上させることができるとともに、セラミックス微粒子を含まない樹脂層４０（第３の樹脂層）によって半導体発光素子１４の熱を遮蔽することができる。これにより、量子ドット蛍光体層１９の温度上昇を一層抑制することができるので、量子ドット蛍光体層１９内の量子ドット蛍光体（半導体微粒子）が温度上昇によって劣化して発光効率が低下することを一層抑制することができる。従って、高効率、高輝度、高信頼性及び高演色性の半導体発光装置を提供できる。
なお、本実施の形態において、量子ドット蛍光体層１９のストークスロスによる発熱を放熱させるルートを確保するために、セラミックス微粒子１５を含有する樹脂層１７は、リードフレームの導電性領域と接していることが好ましい。この構成であれば、量子ドット蛍光体層１９の放熱と半導体発光素子１４の熱遮蔽との両立を一層図ることができるので、半導体発光素子１４の高出力動作時においても量子ドット蛍光体層１９の温度上昇を効果的に抑制でき、さらに高い信頼性を有する半導体発光装置を提供できる。
次に、本実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法（組み立て方法）について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体発光装置の組み立て工程図である。
まず、リードフレーム１１上に半導体発光素子１４（ＬＥＤ）を実装してワイヤーボンディングを施した状態で（図７（ａ））、シリコーン樹脂からなる透明な樹脂層４０を半導体発光素子１４のみが封入されるように部分的に注入する（図７（ｂ））。
次に、この図７（ｂ）の状態でシリコーン樹脂の脱泡処理を行う。例えば、１５０℃で３０分の熱硬化処理を行い、シリコーン樹脂（樹脂層４０）の整形を行う。
次に、セラミックス微粒子１５を含有したシリコーン樹脂からなる樹脂層１７を注入し（図７（ｃ））、実施の形態１と同様に脱泡処理を行った後、量子ドット蛍光体層１９が封入されたガラス板１８を上部から押し当てて樹脂層１７を熱硬化させる。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る半導体発光装置について説明する。
量子ドット蛍光体は、セラミックス微粒子が含有された高熱伝導性のシリコーン樹脂の中に混合されていてもかまわない。これにより、ストークスロスによる量子ドット蛍光体の発熱が隣接するセラミックス微粒子に放熱されるので、量子ドット蛍光体の温度上昇を抑制することが可能となる。
しかし、シリコーン樹脂は酸素透過性が高いため量子ドット蛍光体の光酸化による劣化が懸念される。量子ドット蛍光体は粒子径が小さくその表面を占める原子の割合が多くなることから化学的安定性の低いものが多く、特に高温環境下での励起蛍光においては、量子ドット蛍光体表面の光酸化反応が進行し、急激な発光効率の低下を引き起こすことがある。
そこで、実施の形態５では、量子ドット蛍光体が１個または複数個集まった集合体の表面を、酸素バリア性および耐湿性のある透明樹脂や無機被膜で被覆することで量子ドット集合微粒子を構成し、この量子ドット集合微粒子とセラミックス微粒子とをシリコーン樹脂に混合している。これにより、高い信頼性を有する高放熱ＬＥＤを提供できる。
図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体発光装置の断面概略図である。
図８に示すように、本実施の形態に係る半導体発光装置では、凹部を有する樹脂からなるパッケージと、パッケージ内に実装された半導体発光素子１４と、パッケージ内に形成された樹脂層１７とを備える。樹脂層１７は、波長を変換する蛍光体である量子ドット集合微粒子６０と、セラミックス微粒子１５とがシリコーン樹脂等の透明樹脂に分散保持された構成されている。
量子ドット集合微粒子６０は、上述のように、量子ドット蛍光体が１個または複数個集まった集合体からなる。この集合体は、酸素バリア性および耐湿性のある材料によって表面が被覆されており、本実施の形態では、透明なアクリル樹脂膜によって被覆されている。また、半導体発光素子１４は、樹脂層１７によって密着被覆されている。
なお、本実施の形態では、量子ドット集合微粒子６０の被膜としてアクリル樹脂膜を用いたが、透明なシリコン酸化物（ＳｉＯ２）などの透明な無機皮膜を用いてもかまわない。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、セラミックス微粒子１５を含む樹脂層１７（第１の樹脂層）によって量子ドット蛍光体層１９（第２の樹脂層）の放熱性を向上させることができるとともに、量子ドット蛍光体の表面を被膜するアクリル樹脂膜等によって量子ドット蛍光体の光酸化による劣化を抑制することができる。このように、本実施の形態では、量子ドット蛍光体の温度上昇の抑制と量子ドット蛍光体の光酸化の抑制との両立を図ることができるので、高効率、高輝度で、高演色性の半導体発光装置を提供することができる。
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６に係る半導体発光装置について説明する。
ＬＥＤから放射された光は、ＬＥＤ直上が最も輝度が高くＬＥＤ周辺は輝度が低下する傾向があるため、均一に蛍光体層に照射されず、発光ムラの原因となっている。
そこで、実施の形態６では、上記の実施の形態１〜５における半導体発光装置において、セラミックス微粒子１５として、可視光線を反射する白色微粒子を用いている。これにより、ＬＥＤからの光を白色微粒子によって拡散させることができるので、蛍光体層に均一な光照射を実現することができる。白色微粒子としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることができる。
セラミックス微粒子１５は、ＬＥＤの発光波長および量子ドット蛍光体の蛍光波長を吸収しないことが必須であるが、微粒子のサイズによってはＬＥＤの光を強く反射することがある。効率良くＬＥＤからの光を反射するためには、光散乱微粒子の粒子径が光の波長程度の大きさが望ましい。セラミックス微粒子１５の構成材料は、ＬＥＤの光に対して透明であるが、微粒子のサイズは波長程度になるとミー散乱と呼ばれる光の散乱現象が生じる。そのため、透明な材料からなる微粒子であっても白色の散乱がなされる。
しかし、微粒子が更に小さくなると、レイリー散乱と呼ばれる光散乱に支配されるようになり、散乱強度は粒子径の６乗に比例するため、粒子が小さすぎると再び微粒子はＬＥＤの光に対して透明となる。効率良く光を散乱させるためには、波長の４分の１程度から１波長程度の大きさが必要であり、白色ＬＥＤにおいて、可視光線領域が４００ｎｍ〜７００ｎｍであるため、セラミックス微粒子１５の粒径は、１００ｎｍ〜７００ｎｍが望ましい。特に青色ＬＥＤの光（４５０ｎｍ）を強く反射させるためには、１００ｎｍ〜４５０ｎｍの粒径が望ましい。
なお、本実施の形態では、白色微粒子としてＴｉＯ２を用いたが、他にも鉛白と呼ばれる鉛の塩基性炭酸塩（２ＰｂＣＯ３・Ｐｂ（ＯＨ）２）や、亜鉛華とよばれるＺｎＯ、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸カルシウム水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）などを用いてもかまわない。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、セラミックス微粒子１５が白色微粒子によって構成されているので、半導体発光素子１４（ＬＥＤ）の光は白色微粒子によって散乱し、蛍光体層内に均一に照射される。従って、光ムラの無い半導体発光装置を提供できる。また、本実施の形態においても、実施の形態１〜５と同様に蛍光体層の発熱を放熱させることできる。従って、本実施の形態では、均一発光と高放熱とを両立できる半導体発光装置を提供できる。なお、本実施の形態においても、各実施の形態における効果を奏することができる。
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７に係る半導体発光装置について説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態１〜６の半導体発光装置におけるセラミックス微粒子１５としてダイヤモンド微粒子を用いている。ダイヤモンドは可視光線に対して透明であるとともに、極めて高い熱伝導率を有する。従って、シリコーン樹脂にダイヤモンド微粒子を少量分散させるだけで、樹脂層１７の熱伝導率が大幅に増加し、蛍光体層（量子ドット蛍光体層等）の放熱が向上する。
本実施の形態において、ダイヤモンド微粒子は化学気相成長法によって形成した。この場合、ダイヤモンド微粒子単体の熱伝導率は約１２００Ｗ／ｍＫであった。これを体積比率で０．１ｖｏｌ％だけシリコーン樹脂に含有させるだけで、ＡｌＮ微粒子を１０ｖｏｌ％だけ含有させたシリコーン樹脂と同程度の約１５Ｗ／ｍＫの熱伝導率が得られた。これはセラミックス微粒子を含まないシリコーン樹脂の１００倍程度の熱伝導率である。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、ダイヤモンド微粒子を用いることによって、高効率で蛍光体層の放熱を行うことができるので、量子ドット蛍光体の温度上昇が効果的に抑制され、高効率で高信頼性及び高演色性の半導体発光装置を提供できる。なお、本実施の形態においても、各実施の形態における効果を奏することができる。
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８に係る半導体発光装置について説明する。
セラミックス微粒子１５は、半導体発光素子１４（ＬＥＤ）から放射される光を吸収し、量子ドット蛍光体の励起光を蛍光として放射する希土類蛍光体でも良い。
そこで、実施の形態８では、上記の実施の形態１〜６の半導体発光装置におけるセラミックス微粒子１５として、希土類蛍光体であるユーロピウムイオンが添加されたシリコンアルミ酸窒化物（ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ）蛍光体を用いた。また、蛍光体層（量子ドット蛍光体層１９等）には赤色蛍光を与える粒子径の赤色量子ドット蛍光体を含有させた。
この構成であれば、半導体発光素子１４が青色光を発するＬＥＤの場合、半導体発光素子１４によって発光した青色光の一部は、ＳｉＡｌＯＮ（Ｅｕ蛍光体）が吸収し、緑色の蛍光を与える。また、赤色量子ドット蛍光体が、その緑色発光の一部を吸収し、赤色蛍光を与える。これにより、高い演色性を有する半導体発光装置を実現することができる。
また、この構成であれば、量子ドット蛍光体は緑色から赤色に波長を変換する。緑色から赤色に波長変換する場合は、青色から赤色に波長変換する場合と比べてストークスロスが小さく、量子ドット蛍光体の発熱量が小さくなる。よって、量子ドットの温度上昇を更に抑制することができることから、高い信頼性を有する半導体発光装置を提供できる。
以上、本実施の形態に係る半導体発光装置によれば、セラミックス微粒子によって半導体発光素子の光が波長変換されるので、高演色性で高信頼性の半導体発光装置を提供できる。なお、本実施の形態においても、各実施の形態における効果を奏することができる。
以上、本発明に係る半導体発光装置について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、セラミックス微粒子１５は、可視光線を透過する透明微粒子であってもよい。これにより、半導体発光素子１４の光は損失することなく蛍光体層に照射されるため、高効率な半導体発光装置を提供できる。
なお、その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
本発明は、高信頼性で高効率、さらには高演色性の半導体発光装置を実現することができるので、ディスプレイデバイスや照明装置等の白色ＬＥＤ光源等において広く有用である。
１、１４ 半導体発光素子
２、３ 電気端子
５ 材料
６ 発光物質粒子
８ 容器
１１ リードフレーム
１２ 絶縁樹脂層
１３ 光反射樹脂層
１５ セラミックス微粒子
１６ 金ワイヤー
１７、３０、４０ 樹脂層
１８、２０ ガラス板
１９ 量子ドット蛍光体層
２１ 透明電極膜
２２ 量子ドット蛍光体樹脂層
２３ 樹脂溶液
２４ 量子ドット蛍光体
２５ アノード電極
２６ カソード電極
２７ 電着膜
３１ 量子ドット蛍光体フィルム
６０ 量子ドット集合微粒子

Claims (10)

  1. 凹部を有する樹脂からなるパッケージと、
    前記凹部の底面に露出したリードフレームと、
    前記凹部内のリードフレームに設置された半導体発光素子と、
    前記凹部内のリードフレームと接し底面を覆うように形成された第１の樹脂層と、
    前記第１の樹脂層および前記半導体発光素子の上に形成された第２の樹脂層とを備え、
    前記第１の樹脂層は、セラミックス微粒子を有し、
    前記第２の樹脂層は、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子と、前記半導体微粒子を分散保持する樹脂とを含む
    半導体発光装置。
  2. 前記第２の樹脂層は、透明基板の中に封入されており、
    前記透明基板と前記パッケージとに囲まれた領域は、前記第１の樹脂層で充填されている
    請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記第１の樹脂層と前記半導体発光素子との間にセラミックス微粒子を含まない第３の樹脂層を有する
    請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第２の樹脂層は、電着法によって電気伝導性領域を有する透明基板表面に形成され、かつ、前記半導体発光素子と対向するように前記パッケージ上部に配置されており、
    前記パッケージの内側は、前記第１の樹脂層で充填されている
    請求項１に記載の半導体発光装置。
  5. 凹部を有するパッケージと、
    前記パッケージに実装された半導体発光素子と、
    前記パッケージ内に形成され、波長を変換する蛍光体とセラミックス微粒子とが分散保持された樹脂層とを備え、
    前記蛍光体は、量子ドット蛍光体が１個または複数個集まった集合体からなり、
    前記集合体は、透明なアクリル樹脂膜またはシリコン酸化物によって被覆されており、
    前記半導体発光素子は、前記樹脂層によって被覆されている
    半導体発光装置。
  6. 前記セラミックス微粒子は、可視光線を反射する白色微粒子である
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  7. 前記セラミックス微粒子は、可視光線を透過する透明微粒子である
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  8. 前記セラミックス微粒子は、ダイヤモンド微粒子である
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  9. 前記セラミックス微粒子は、前記半導体発光素子から放射される光を吸収し、前記半導体微粒子の励起光を蛍光として放射する
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  10. 前記セラミックス微粒子の粒子直径が１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
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