WO2019130725A1 - 半導体発光装置 - Google Patents

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公輝 前田
柴田　直樹
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light.
  • the above-described glass-sealed package is expensive and has a problem that the sealing yield of the glass is low. Therefore, it is desirable to use a resin-sealed type also in a semiconductor light emitting device that emits ultraviolet light. .
  • An object of the present invention is to provide a resin-sealed semiconductor light emitting device having a practical light output and a compatible life.
  • a semiconductor light emitting device includes a semiconductor light emitting element that emits ultraviolet light, a package substrate on which the semiconductor light emitting element is mounted, and a sealing resin that seals the semiconductor light emitting element.
  • the semiconductor light emitting device further includes a coat film provided between the light emitting surface of the semiconductor light emitting device and the sealing resin, and the refractive index of the coating film and the refractive index of the sealing resin are different from the light emitting surface of the semiconductor light emitting device. It is smaller than the refractive index of the member which comprises, and the refractive index difference of the said coat film and the said sealing resin is 0.15 or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device using a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. It is an explanatory view explaining a lamination structure of a semiconductor light emitting element. It is explanatory drawing explaining the influence on the sealing resin of the evanescent light in the prior art example which does not form a coating film. It is explanatory drawing explaining the influence on the sealing resin of the total reflection light in this invention which formed the coating film. It is a graph which shows the result of the electricity supply test of the Example of this invention, and a prior art example. It is sectional drawing of the light-emitting device which concerns on one modification of this invention. It is sectional drawing of the light-emitting device which concerns on one modification of this invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting device using the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory view for explaining the laminated structure of the semiconductor light emitting device.
  • the semiconductor light emitting device 1 includes a semiconductor light emitting element 2 for emitting ultraviolet light, a package substrate 3 on which the semiconductor light emitting element 2 is mounted, a sealing resin 4 for sealing the semiconductor light emitting element 2, and a coat film 5.
  • a semiconductor light emitting element 2 for emitting ultraviolet light
  • a package substrate 3 on which the semiconductor light emitting element 2 is mounted a sealing resin 4 for sealing the semiconductor light emitting element 2, and a coat film 5.
  • the package substrate 3 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, and a recess 3 a is formed on the upper surface thereof.
  • the package substrate 3 is made of, for example, a high temperature fired ceramic multilayer substrate (HTCC, High Temperature Co-fired Ceramic).
  • the semiconductor light emitting element 2 is formed of an ultraviolet light LED which emits ultraviolet light (deep ultraviolet light) having a wavelength of 300 nm or less.
  • the semiconductor light emitting device 2 includes a growth substrate 21, an AlGaN-based nitride semiconductor layer 22 formed on the growth substrate 21, and an electrode 23.
  • the nitride semiconductor layer 22 includes, sequentially from the growth substrate 21 side, a buffer layer 22 a made of AlN, an n clad layer 22 b made of n-type AlGaN, a light emitting layer 22 c containing AlGaN, and a p made of p-type AlGaN.
  • a cladding layer 22d and a contact layer 22e made of p-type GaN are sequentially formed.
  • the electrode 23 has an anode side electrode portion (p electrode) 23a formed on the contact layer 22e, and a cathode side electrode portion (n electrode) 23b formed on the n clad layer 22b.
  • the semiconductor light emitting element 2 is accommodated in the recess 3 a and mounted on the bottom of the recess 3 a.
  • the semiconductor light emitting element 2 is flip chip mounted on the package substrate 3 with the growth substrate 21 on the upper side (opening side of the recess 3 a) and the nitride semiconductor layer 22 on the lower side (bottom side of the recess 3 a, package substrate 3 side). ing.
  • the electrodes 23a and 23b are electrically connected to the electrodes provided on the package substrate 3 through gold bumps and the like.
  • the ultraviolet light emitted from the light emitting layer 22 c is led out of the semiconductor light emitting element 2 through the growth substrate 21. Therefore, in the present embodiment, the surface of the growth substrate 21 (the surface opposite to the nitride semiconductor layer 22) is the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2. Further, in the present embodiment, the member constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 is the growth substrate 21. Therefore, as the growth substrate 21, it is desirable to use one having as high a transmittance as possible of the emitted ultraviolet light, and more specifically, it is desirable to use one having a transmittance of 70% or more for the emitted ultraviolet light.
  • a single crystal substrate such as a sapphire substrate or an AlN substrate can be used.
  • a sapphire substrate is used as the growth substrate 21.
  • the growth substrate 21 may be removed by a method such as laser peeling or chemical etching when the transmittance of ultraviolet light is low or the extraction efficiency is enhanced.
  • the member constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 is the buffer layer 22 a.
  • the buffer layer 22a may be removed together with the growth substrate 21, and the member constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting device 2 may be the n clad layer 22b made of n-type AlGaN.
  • the sealing resin 4 is provided to cover the whole of the semiconductor light emitting element 2.
  • the sealing resin 4 is provided so as to be filled up in the recess 3 a of the package substrate 3 and to rise above the package substrate 3, and the upper surface thereof has a smooth curved surface shape (for example, hemispherical or semi-elliptical sphere) It is formed to be Thereby, compared with, for example, the case where the upper surface is a flat surface, total reflection at the boundary between the sealing resin 4 and the air can be suppressed to improve the light extraction efficiency.
  • the sealing resin 4 plays a role of a lens, and the irradiation direction of the ultraviolet light can be controlled.
  • the sealing resin 4 it is desirable to use one having a refractive index intermediate between the refractive index of a member (here, a sapphire substrate) constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 and the refractive index of air. .
  • a member here, a sapphire substrate
  • the sealing resin 4 has a role of covering the semiconductor light emitting element 2 to protect the semiconductor light emitting element 2 and reducing the difference in refractive index between the member forming the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 and air. It has the role of improving the extraction efficiency of the lens and the role of a lens for controlling the irradiation direction of the ultraviolet light.
  • the sealing resin 4 it is desirable to use one that has as high a transmittance of ultraviolet light emitted by the semiconductor light emitting element 2 as possible, and the transmittance of ultraviolet light (deep ultraviolet light of 300 nm or less here) in the sealing resin 4 is It is good that it is 80% or more. Moreover, as the sealing resin 4, it is desirable to use one that is not easily deteriorated by ultraviolet light. Specifically, as the sealing resin 4, a resin containing a silicone resin or a fluorine resin as a main component can be used. In addition, the sealing resin 4 may contain a filler etc. suitably. In the present embodiment, a lower cost silicone resin is used as the sealing resin 4.
  • the growth substrate 21 that is, the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 is configured.
  • the refractive index (about 1.8) of the sapphire substrate which is the growth substrate 21 is larger than the refractive index (about 1.4) of the silicone resin which is the sealing resin 4. Therefore, when light is incident at an incident angle greater than or equal to the critical angle, this light is totally reflected at the interface between the growth substrate 21 and the sealing resin 4.
  • evanescent light exudes on the sealing resin 4 side.
  • Deterioration of the sealing resin 4 occurs in all regions exposed to the ultraviolet light, but as described above, especially in the vicinity of the interface with the growth substrate 21, the light density of the ultraviolet light becomes very high. Due to the influence, the sealing resin 4 is deteriorated, hardened and contracted. As a result, a strong stress is generated between the growth substrate 21 and the sealing resin 4, and when the stress reaches a limit, the sealing resin 4 breaks at the interface with the growth substrate 21 and a crack occurs.
  • the entire coating film 5 having a refractive index substantially the same as that of the sealing resin 4 is inserted between the growth substrate 21 and the sealing resin 4.
  • the interface where the reflection occurs is shifted to the interface between the growth substrate 21 and the coat film 5.
  • the coat film 5 is provided between the growth substrate 21 and the sealing resin 4.
  • the coat film 5 is for suppressing the influence of totally reflected light on the sealing resin 4 (the influence of evanescent light).
  • the refractive index of the coating film 5 and the refractive index of the sealing resin 4 need to be smaller than the refractive index of the growth substrate 21. Further, in order to suppress total reflection at the interface between the growth substrate 21 and the sealing resin 4, the refractive index of the coating film 5 needs to be equal to the refractive index of the sealing resin 4.
  • the difference in refractive index between the coat film 5 and the sealing resin 4 is preferably 0.15 or less. That is, in the semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment, assuming that the refractive index of the growth substrate 21 is n 1 , the refractive index of the coat film 5 is n 2 , and the refractive index of the sealing resin 4 is n 3 , these refractive indices n 1 to n 3 are the following formulas (1) to (3) n 1 > n 2 (1) n 1 > n 3 (2)
  • the refractive index difference between the coat film 5 and the sealing resin 4 is larger than 0.15, and when n 2 > n 3 , the total reflection at the interface between the growth substrate 21 and the coat film 5 decreases. Since the total reflection at the interface between the coating film 5 and the sealing resin 4 is large, the influence of the total reflection light on the sealing resin 4 can not be sufficiently suppressed, and the deterioration of the sealing resin 4 is suppressed. The effect is smaller.
  • the refractive index difference is larger than 0.15 and n 2 ⁇ n 3 , the total reflection at the interface between the growth substrate 21 and the coat film 5 becomes significantly large, and the transmitted light is significantly reduced. The light output is reduced. That is, by satisfying all the above formulas (1) to (3), it is possible to suppress the deterioration of the sealing resin 4 and improve the life while improving the light output.
  • the transmittance of ultraviolet light here, deep ultraviolet light of 300 nm or less
  • the transmittance of ultraviolet light here, deep ultraviolet light of 300 nm or less
  • the coating film 5 contains as little organic component as possible and has sufficient light resistance to ultraviolet light, and physical changes such as deterioration, shrinkage, and generation of cracks by irradiation of ultraviolet light. It is desirable to use one that is less likely to occur.
  • a glass film containing SiO 2 as a main component or amorphous SiO 2 can be used as the coating film 5 that satisfies such conditions.
  • the glass film can be formed by glass conversion of a vitrification hardening material such as an alcohol-soluble organosilicon compound, application of a glass coating material such as silazane, or glass conversion.
  • Amorphous SiO 2 can be formed, for example, by vapor deposition, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), sol-gel method, or the like.
  • an alcohol-soluble organosilicon material is coated on the upper surface of the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 and glass conversion is performed to form the coat film 5 made of a glass film containing SiO 2 as a main component. It formed.
  • the thickness of the coating film 5 is desirably as thin as possible and desirably 25 ⁇ m or less in order to suppress the occurrence of cracks in the coating film 5. More preferably, the thickness of the coating film 5 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
  • the surface of the coating film 5 (the surface on the side of the sealing resin 4) may be formed in a curved shape.
  • a thick glass coating material is applied in the center of the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting device 2 in top view, and the applied glass coating material is converted to glass.
  • the coat film 5 having a curved (for example, hemispherical) surface that is convex toward the sealing resin 4 side. Thereby, total reflection at the interface between the coating film 5 and the sealing resin 4 can be suppressed, and the light extraction efficiency can be improved.
  • the maximum thickness of the coat film 5 is preferably 5.0 ⁇ m or less.
  • the coat film 5 is desired to have a very high transmittance as described above and a good light resistance to ultraviolet light, it is desirable to use a glass material instead of a resin. Therefore, for example, it is conceivable to omit the sealing resin 4 and seal the semiconductor light emitting element 2 with only the glass material, but in this case, the process at high temperature to process the shape of the glass material into a lens shape or the like. Therefore, the ease of manufacture (processability, mass productivity) and the characteristic deterioration of the semiconductor light emitting element 2 become problems.
  • the silicone resin used as the sealing resin 4 in the present embodiment is inferior in light resistance to a glass material, but can be easily molded into a lens shape or the like having high moldability and high light extraction efficiency. In the semiconductor light emitting device 1 according to the present embodiment, the light resistance is improved by the coat film 5 made of glass and the moldability by the sealing resin 4 made of silicone resin. And ease of manufacture are realized simultaneously.
  • the coat film 5 is formed only on the light emitting surface 24 (upper surface of the semiconductor light emitting element 2) of the semiconductor light emitting element 2. However, as shown in FIG. The coat film 5 may be formed. In this case, the coat film 5 may continuously cover the surface of the package substrate 3 (bottom surface of the recess 3 a).
  • the shape of the sealing resin 4 is not limited to this.
  • the upper surface of the sealing resin 4 may be flat as shown in FIG. 6, or the upper surface may be concave as shown in FIG.
  • the lens 6 made of quartz or sapphire may be mounted.
  • the shape of the lens 6 may be hemispherical as shown in FIG. 6, or it may be convex, concave, or another shape other than a hemisphere.
  • the package substrate 3 may be formed in a flat plate shape.
  • the sealing resin 4 may be formed so as to cover the entire semiconductor light emitting element 2 and may be molded into a desired shape such as a hemisphere by a mold or the like.
  • FIG. 9 shows the case where the dam material 7 for preventing the outflow of the sealing resin 4 is formed on the package substrate 3, the dam material 7 is removed after the molding of the sealing resin 4. It is also good.
  • the coat film 5 is provided between the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2 and the sealing resin 4.
  • the sealing resin 4 is less susceptible to the influence of light totally reflected on the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2, and in the vicinity of the interface 24 near the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2.
  • the light intensity (light density) in the sealing resin 4 is reduced.
  • the deterioration of the sealing resin 4 since the deterioration of the sealing resin 4 has a correlation with the light intensity, the deterioration of the sealing resin 4 due to the ultraviolet light emitted by the semiconductor light emitting element 2 can be significantly suppressed.
  • the deterioration of the sealing resin 4 is suppressed, which contributes to prolonging the life and improving the reliability.
  • the refractive index of the coat film 5 and the refractive index of the sealing resin 4 are made smaller than the refractive indices of the members constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting element 2.
  • the difference in refractive index between the resin and the sealing resin 4 is 0.15 or less.
  • the refractive index of the coating film 5 and the sealing resin 4 is the refractive index between the air and the member constituting the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting device 2, the light emitting surface 24 of the semiconductor light emitting device 2 is configured.
  • the total reflection itself at the interface between the member and the coating film 5 is also suppressed, and the light extraction effect is improved. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize the resin-sealed semiconductor light emitting device 1 in which the practical light output and the lifetime are compatible.
  • the refractive index of the sealing resin (4) and the refractive index of the sealing resin (4) are smaller than the refractive index of the member constituting the light emitting surface (24) of the semiconductor light emitting element (2), and The semiconductor light-emitting device (1) whose refractive index difference with the said sealing resin (4) is 0.15 or less.
  • the transmittance of the ultraviolet light in the coating film (5) is 90% or more, and the transmittance of the ultraviolet light in the sealing resin (4) is 80% or more.
  • the sealing resin (4) is made of a resin containing a silicone resin as a main component
  • the coat film (5) is made of a glass film containing SiO 2 as a main component or amorphous SiO 2 [1] ]
  • the semiconductor light-emitting device (1) as described in any one of [5].

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Abstract

半導体発光装置１は、紫外光を発光する半導体発光素子２と、半導体発光素子２が実装されるパッケージ基板３と、半導体発光素子２を封止する封止樹脂４と、を備えた半導体発光装置１で、半導体発光素子２の光出射面２４と封止樹脂４との間に設けられたコート膜５をさらに備え、コート膜５の屈折率及び封止樹脂４の屈折率は、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差が０．１５以下である。

Description

半導体発光装置
本発明は、紫外線を発光する半導体発光装置に関する。
従来、青色や白色の光を発光する半導体発光装置として、発光ダイオード（ＬＥＤ）をシリコーン樹脂等の封止樹脂で封止した樹脂封止型の半導体発光装置が一般に知られている。これに対して、紫外線を発光する半導体発光装置、特に波長３００ｎｍ以下の深紫外光を発光する半導体発光装置では、石英などのガラスで封止されたガラス封止パッケージが主流である。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。
特開２００８－０４１９６８号公報
上述のガラス封止パッケージは、高コストであり、ガラスの封着歩留りが低いといった課題があることから、紫外光を発光する半導体発光装置においても、樹脂封止型とすることが望まれている。
しかしながら、特に深紫外光を発光する半導体発光装置においては、封止樹脂が発光光自体の影響で劣化しやすく、寿命が短くなってしまうという課題があった。十分な寿命を確保するためには、光出力を非常に小さくしなければならず、実用的な光出力と寿命とを両立することは困難であった。
本発明は、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の半導体発光装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に従う半導体発光装置は、紫外光を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装されるパッケージ基板と、前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、を備え、前記半導体発光素子の光出射面と前記封止樹脂との間に設けられたコート膜をさらに備え、前記コート膜の屈折率及び前記封止樹脂の屈折率は、前記半導体発光素子の光出射面を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜と前記封止樹脂との屈折率差が０．１５以下である。
本発明の一態様に従い、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の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を用いた発光装置の断面図である。 半導体発光素子の積層構造を説明する説明図である。 コート膜を形成しない従来例におけるエバネッセント光の封止樹脂への影響を説明する説明図である。 コート膜を形成した本発明における全反射光の封止樹脂への影響を説明する説明図である。 本発明の実施例及び従来例の通電試験の結果を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。
［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。
図１は、本実施の形態に係る半導体発光装置を用いた発光装置の断面図である。図２は、半導体発光素子の積層構造を説明する説明図である。
半導体発光装置１は、紫外光を発光する半導体発光素子２と、半導体発光素子２が実装されるパッケージ基板３と、半導体発光素子２を封止する封止樹脂４と、コート膜５と、を備えている。以下、各部材について詳細に説明する。
（パッケージ基板３）
パッケージ基板３は、略直方体形状に形成されると共に、その上面に凹部３ａが形成されている。パッケージ基板３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。
（半導体発光素子２）
半導体発光素子２は、波長３００ｎｍ以下の紫外光（深紫外光）を発光する紫外光ＬＥＤからなる。図２に示されるように、半導体発光素子２は、成長基板２１と、成長基板２１上に形成されたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体層２２と、電極２３と、を有している。本実施の形態では、窒化物半導体層２２は、成長基板２１側から順次、ＡｌＮからなるバッファ層２２ａ、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層２２ｂ、ＡｌＧａＮを含む発光層２２ｃ、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層２２ｄ、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２２ｅを順次形成して構成されている。電極２３は、コンタクト層２２ｅ上に形成されたアノード側電極部（ｐ電極）２３ａと、ｎクラッド層２２ｂ上に形成されたカソード側電極部（ｎ電極）２３ｂと、を有している。
半導体発光素子２は、凹部３ａに収容され、凹部３ａの底面に実装されている。半導体発光素子２は、成長基板２１を上側（凹部３ａの開口側）とし、窒化物半導体層２２を下側（凹部３ａの底面側、パッケージ基板３側）として、パッケージ基板３にフリップチップ実装されている。図示していないが、電極２３ａ，２３ｂは、パッケージ基板３に設けられた電極と、金バンプ等を介して電気的に接続されている。
本実施の形態では、発光層２２ｃで発光した紫外光は、成長基板２１を通って半導体発光素子２の外へと導かれる。そのため、本実施の形態では、成長基板２１の表面（窒化物半導体層２２と反対側の面）が半導体発光素子２の光出射面２４となる。また、本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材は成長基板２１となる。よって、成長基板２１としては、発光した紫外光の透過率がなるべく高いものを用いることが望ましく、より具体的には、発光した紫外光の透過率が７０％以上のものを用いることが望ましい。成長基板２１としては、サファイア基板やＡｌＮ基板等の単結晶基板を用いることができる。本実施の形態では、成長基板２１として、サファイア基板を用いた。なお、成長基板２１は、紫外光の透過率が低い場合や、取り出し効率を高める場合は、レーザ剥離、化学エッチングなどの方法で除去してもよい。この場合、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材は、バッファ層２２ａとなる。また、成長基板２１と共にバッファ層２２ａも除去して、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材をｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層２２ｂとすることもできる。
（封止樹脂４）
封止樹脂４は、半導体発光素子２全体を覆うように設けられている。封止樹脂４は、パッケージ基板３の凹部３ａに充填されると共に、パッケージ基板３の上方に盛り上がるように設けられており、その上面が滑らかな曲面形状（例えば半球状、あるいは半楕円球状）となるように形成されている。これにより、例えば上面を平面とした場合と比較して、封止樹脂４と空気との境界における全反射を抑制して光の取り出し効率を向上できる。また、封止樹脂４がレンズの役割を果たすようになり紫外光の照射方向を制御可能となる。また、封止樹脂４としては、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材（ここではサファイア基板）の屈折率と、空気の屈折率の中間の屈折率を有するものを用いることが望ましい。これにより、半導体発光素子２の光出射面２４から紫外光を取り出す効率が向上し、発光強度の向上に寄与する。
つまり、封止樹脂４は、半導体発光素子２を覆って半導体発光素子２を保護する役割と、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材と空気間の屈折率差を緩和して光の取り出し効率を向上する役割と、紫外光の照射方向を制御するレンズとしての役割と、を兼ねている。
封止樹脂４としては、半導体発光素子２が発光する紫外光の透過率がなるべく高いものを用いることが望ましく、封止樹脂４における紫外光（ここでは３００ｎｍ以下の深紫外光）の透過率が８０％以上であるとよい。また、封止樹脂４としては、紫外光により容易に劣化しにくいものを用いることが望ましい。具体的には、封止樹脂４としては、シリコーン樹脂やフッ素樹脂を主成分とする樹脂を用いることができる。なお、封止樹脂４は、フィラー等を適宜含んでいてもよい。本実施の形態では、より低コストであるシリコーン樹脂を封止樹脂４として用いた。
（封止樹脂４の劣化について）
封止樹脂４として用いるシリコーン樹脂は、比較的紫外光による劣化が少ないものの、メチル基など、特に官能基などの有機成分で紫外光による劣化が発生する。よって、封止樹脂４が高強度の紫外光に晒されると、劣化が激しくなり、半導体発光装置１の寿命が低下してしまう。
ここで、図３Ａに示すように、半導体発光素子２の光出射面２４と封止樹脂４とが直接接している場合において、成長基板２１（すなわち半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材、以下同様）側から封止樹脂４側に光を入射する場合を考える。成長基板２１であるサファイア基板の屈折率（１．８程度）は、封止樹脂４であるシリコーン樹脂の屈折率（１．４程度）よりも大きい。よって、臨界角以上の入射角で光を入射させると、この光は、成長基板２１と封止樹脂４との界面にて全反射する。
このとき、成長基板２１側の光が封止樹脂４側で急にゼロとはならず、封止樹脂４側にエバネッセント光と呼ばれる光がしみ出す。このエバネッセント光の光強度は、界面からの距離の関数となり、界面（距離＝０）においては、全反射する光の光強度に等しくなる。つまり、成長基板２１と封止樹脂４との界面近傍（図３Ａの領域Ａ）の封止樹脂４は、界面を透過する光のみならず、界面にて全反射する光の影響も受けてしまう。
封止樹脂４の劣化は、紫外光にさらされるすべての領域において発生するが、上述のように、特に、成長基板２１との界面近傍においては、紫外光の光密度が非常に高くなり、この影響により、封止樹脂４が変質、硬化、収縮する。その結果、成長基板２１と封止樹脂４間に強い応力が発生し、応力が限界に達すると、成長基板２１との界面において封止樹脂４が破断し、クラックが発生してしまう。
そこで、本実施の形態では、図３Ｂに示すように、成長基板２１と封止樹脂４との間に、封止樹脂４と略同一の屈折率を有するコート膜５を挿入することで、全反射が起こる界面を成長基板２１とコート膜５との界面にずらしている。これにより、全反射が起こる界面から封止樹脂４が離れるため、封止樹脂４への全反射光の影響が抑えられ、封止樹脂４の劣化を抑制することが可能になる。
（コート膜５の説明）
コート膜５は、成長基板２１と封止樹脂４との間に設けられる。コート膜５は、封止樹脂４への全反射光の影響（エバネッセント光の影響）を抑制するためのものである。
成長基板２１からの光の取り出し効率を向上させるために、コート膜５の屈折率及び封止樹脂４の屈折率は、成長基板２１の屈折率よりも小さくする必要がある。また、成長基板２１と封止樹脂４との界面での全反射を抑制するために、コート膜５の屈折率は、封止樹脂４の屈折率と同等である必要がある。
具体的には、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差が０．１５以下であるとよい。つまり、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、成長基板２１の屈折率をｎ１、コート膜５の屈折率をｎ２、封止樹脂４の屈折率をｎ３とすると、これら屈折率ｎ１～ｎ３が、下式（１）～（３）
　　ｎ１＞ｎ２　　・・・（１）
　　ｎ１＞ｎ３　　・・・（２）
　　｜ｎ２－ｎ３｜≦０．１５　　・・・（３）
を全て満たしている。
なお、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差が０．１５より大きい場合、ｎ２＞ｎ３であるときには、成長基板２１とコート膜５との界面での全反射が減少して、コート膜５と封止樹脂４との界面での全反射が大きくなるため、封止樹脂４への全反射光による影響を十分に抑えることができず、封止樹脂４の劣化を抑制する効果が小さくなる。また、屈折率差が０．１５より大きく、ｎ２＜ｎ３である場合には、成長基板２１とコート膜５との界面での全反射が著しく大きくなり、透過光が著しく減少するため、光出力が低下してしまう。すなわち、上述の式（１）～（３）を全て満たすことで、光出力を向上させつつも、封止樹脂４の劣化を抑制し寿命を向上させることが可能になる。
また、コート膜５を設けることによる光損失を小さくするため、コート膜５における紫外光（ここでは３００ｎｍ以下の深紫外光）の透過率は９０％以上であることが望ましい。
さらに、コート膜５は、有機成分を可能な限り含まず、紫外光に対する十分な耐光性を有していることが望ましく、紫外光の照射によって変質、収縮、クラックの発生など、物理的な変化が生じ難いものを用いることが望ましい。
このような条件を満たすコート膜５として、ＳｉＯ２を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ２を用いることができる。ガラス膜は、アルコール可溶型有機ケイ素化合物等のガラス化硬化材料のガラス転化や、シラザンなどのガラスコート材の塗布、ガラス転化により形成することができる。アモルファスＳｉＯ２は、例えば、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ゾルゲル法等で形成することができる。本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４の上面にアルコール可溶型有機ケイ素材を塗布し、ガラス転化させることにより、ＳｉＯ２を主成分とするガラス膜からなるコート膜５を形成した。
コート膜５としてガラス膜を用いる場合、コート膜５におけるクラックの発生を抑制するために、コート膜５の厚さは、できるだけ薄いことが望ましく、２５μｍ以下であることが望ましい。より好ましくは、コート膜５の厚さは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であるとよい。
また、コート膜５の表面（封止樹脂４側の面）が、曲面状に形成されていてもよい。例えば、コート膜５を形成する際に、上面視における半導体発光素子２の光出射面２４の中央部にてガラスコート材を厚めに塗布しておき、塗布したガラスコート材をガラス転化させることで、封止樹脂４側に凸となる曲面状（例えば半球状）の表面を有するコート膜５を形成することができる。これにより、コート膜５と封止樹脂４との界面における全反射を抑制して、光の取り出し効率を向上できる。ただし、この場合も、コート膜５のクラックの発生を抑制するため、コート膜５の最大厚さは、５．０μｍ以下であることが好ましい。
なお、コート膜５は、上述のように透過率が非常に高く、かつ紫外光に対する耐光性が良好であることが望まれることから、樹脂ではなくガラス材を用いることが望まれる。そこで、例えば、封止樹脂４を省略してガラス材のみで半導体発光素子２を封止することも考えられるが、この場合、ガラス材の形状をレンズ形状等に加工するために高温でのプロセスが必要となり、製造の容易性（加工性、量産性）や半導体発光素子２の特性劣化が問題となる。本実施の形態で封止樹脂４として用いているシリコーン樹脂は、ガラス材と比較して耐光性は劣るものの、成型性が高く、光取り出し効率の高いレンズ形状等に容易に成型可能である。本実施の形態に係る半導体発光装置１では、耐光性をガラス材からなるコート膜５に、成型性をシリコーン樹脂からなる封止樹脂４にそれぞれ担わせることで、光取り出し効率の向上、寿命向上、及び製造の容易性を同時に実現している。
（通電試験の結果の説明）
半導体発光素子２の光出射面２４にアルコール可溶型有機ケイ素材を塗布し、ガラス転化させてコート膜５を形成した後、封止樹脂４により半導体発光素子２を封止して図１の半導体発光装置１を作製し、本発明の実施例とした。また、コート膜５を省略した以外は図１と同様の構成として、従来例の半導体発光装置を作製した。作製した実施例及び従来例の半導体発光装置について、通電試験を行い、通電時間（試験時間）毎の光出力を測定すると共に、封止樹脂４でのクラックの発生の有無を観察した。試験結果を図４にまとめて示す。
封止樹脂４の観察の結果、図４において光出力が大きく低下したときに、封止樹脂４にクラックが発生していることが確認された。図４の結果から、コート膜５を形成することにより、従来例と比較して、寿命（信頼性）が１．５倍程度向上していることが確認された。
（変形例）
本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４（半導体発光素子２の上面）のみにコート膜５を形成したが、図５に示すように、半導体発光素子２の全体を覆うようにコート膜５を形成してもよい。この場合、コート膜５がパッケージ基板３の表面（凹部３ａの底面）まで連続して覆っていてもよい。
また、本実施の形態では、封止樹脂４の上面を半球状とする場合について説明したが、封止樹脂４の形状はこれに限定されない。例えば、封止樹脂４は、図６のように上面が平坦となっていてもよいし、また、図７のように、上面が凹状となっていてもよい。また、図８のように、封止樹脂４を凹部３ａに平坦に充填したのちに石英あるいはサファイア等からなるレンズ６を装着してもよい。なおレンズ６の形状は、図６のように半球状であってもよいし半球以外でも、凸型、凹型、あるいはそれ以外の形状でもよい。
さらに、図９に示すように、パッケージ基板３が、平板状に形成されていてもよい。この場合、封止樹脂４は半導体発光素子２全体を覆うように形成されていればよく、鋳型等で半球などの所望の形状に成型されていてもよい。図９では、封止樹脂４の流出を防止するためのダム材７がパッケージ基板３に形成されている場合を示しているが、このダム材７は、封止樹脂４の成型後に除去されてもよい。
（実施の形態の作用及び効果）
光出力の大きさと封止樹脂４の劣化速度とは相関関係がある。そのため、従来の樹脂封止型の半導体発光装置では、例えば数１０００時間程度の実用的な素子寿命を保証するためには、例えば数ｍＷ以下など、著しく低い光出力で駆動するしかなかった。従来の樹脂封止型の半導体発光装置において、一般的な定格光出力である数１０ｍＷ程度の光出力で駆動した場合、封止樹脂４の劣化のため、実用的な寿命を保証することが困難であった。つまり、従来の樹脂封止型の半導体発光装置では、光出力が著しく低い、あるいは、寿命保証がなされていないなど、実用性と信頼性の点で、十分とはいえない状況であった。
そこで、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、半導体発光素子２の光出射面２４と封止樹脂４との間にコート膜５を備えた。コート膜５を備えることにより、封止樹脂４が半導体発光素子２の光出射面２４で全反射する光の影響を受けにくくなり、半導体発光素子２の光出射面２４の近傍（界面付近）の封止樹脂４における光強度（光密度）が低下する。上述のように、封止樹脂４の劣化は光強度と相関関係があるため、半導体発光素子２が発光する紫外光による封止樹脂４の劣化を大幅に抑制することが可能になる。その結果、例えば数１０ｍＷ程度と実用的な光出力とした場合であっても、封止樹脂４の劣化が抑制され、長寿命化及び信頼性の向上に寄与する。
さらに、本実施の形態では、コート膜５の屈折率及び封止樹脂４の屈折率を、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材の屈折率よりも小さくし、かつ、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差を０．１５以下としている。このような屈折率の関係を満たすことで、全反射の大部分が半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材とコート膜５との界面で発生することになり、当該界面を透過した光の大部分は、コート膜５と封止樹脂４との界面でも透過光となる。その結果、全反射光による封止樹脂４への影響がより抑制される。さらに、コート膜５と封止樹脂４の屈折率が、空気と半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材の中間の屈折率となるため、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材とコート膜５との界面での全反射自体も抑制され、光の取り出し効果が向上する。よって、本実施の形態によれば、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の半導体発光装置１を実現できる。
（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］紫外光を発光する半導体発光素子（２）と、前記半導体発光素子（２）が実装されるパッケージ基板（３）と、前記半導体発光素子（２）を封止する封止樹脂（４）と、を備え、前記半導体発光素子（２）の光出射面（２４）と前記封止樹脂（４）との間に設けられたコート膜（５）をさらに備え、前記コート膜（５）の屈折率及び前記封止樹脂（４）の屈折率は、前記半導体発光素子（２）の光出射面（２４）を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜（５）と前記封止樹脂（４）との屈折率差が０．１５以下である、半導体発光装置（１）。
［２］前記半導体発光素子（２）は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を発光する、［１］に記載の半導体発光装置（１）。
［３］前記コート膜（５）の厚さが、２５μｍ以下である、［１］または［２］に記載の半導体発光装置（１）。
［４］前記コート膜（５）の前記封止樹脂（４）側の面が、曲面状に形成されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。
［５］前記コート膜（５）における前記紫外光の透過率が９０％以上であり、前記封止樹脂（４）における前記紫外光の透過率が８０％以上である、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。
［６］前記封止樹脂（４）は、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂からなり、前記コート膜（５）は、ＳｉＯ２を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ２からなる、［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。また、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。
１…半導体発光装置
２…半導体発光素子
２１…成長基板
２２…窒化物半導体層
２４…光出射面
３…パッケージ基板
３ａ…凹部
４…封止樹脂

Claims (6)

  1. 紫外光を発光する半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子が実装されるパッケージ基板と、
    前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、を備え、
    前記半導体発光素子の光出射面と前記封止樹脂との間に設けられたコート膜をさらに備え、
    前記コート膜の屈折率及び前記封止樹脂の屈折率は、前記半導体発光素子の光出射面を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜と前記封止樹脂との屈折率差が０．１５以下である、
    半導体発光装置。
  2. 前記半導体発光素子は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を発光する、
    請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記コート膜の厚さが、２５μｍ以下である、
    請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記コート膜の前記封止樹脂側の面が、曲面状に形成されている、
    請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記コート膜における前記紫外光の透過率が９０％以上であり、
    前記封止樹脂における前記紫外光の透過率が８０％以上である、
    請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体発光装置。
  6. 前記封止樹脂は、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂からなり、
    前記コート膜は、ＳｉＯ２を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ２からなる、
    請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体発光装置。
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