JP2005019919A

JP2005019919A - 発光装置

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Publication number: JP2005019919A
Application number: JP2003186230A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kato; 英昭加藤; Kanae Matsumura; 佳苗松村
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【目的】発光素子の側面から放出される光を確実に反射する発光装置を提供する。
【構成】配線を有した基板上に配置される発光素子を囲むように薄板状の反射枠を配置する。この反射枠はその実質的に全周で前記基板に当接するとともに、配線に対して絶縁性が維持されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光装置に関する。更に詳しくは、発光素子の側面から放出される光を反射する反射面を備えた発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードはその上面若しくは底面を発光面としているが、その側面からも多くの光が放出されている。この光を有効に利用するため、発光素子を円筒状のケースで囲み、当該ケースの内周面を反射面としていた（特許文献１）。発光素子の側面から放出された光は当該反射面で反射されて発光装置の光軸方向へ集中され、もって有効に利用される。
本発明に関連する技術として特許文献２を参照されたい。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７４００７号公報
【特許文献２】
特開２００２−９３４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発光ダイオードを囲むケースは樹脂やセラミックで形成されているが、当該材料が表出する内周面を反射面としたときには充分な反射率を得られない。
そこで、ケースの内周面に金属層を積層することが検討される。
しかしながら、ケースの内周面はその下縁において基板の配線に接しているので、その全面へ金属層を積層すると金属層の下縁が配線に接触してショートを形成するおそれがある。そこで、当該ショートを防止するため、ケースの内周面の下縁にマージンを形成して、その部分には金属層を積層しないようにする必要があった。基板上の配線を保護するためにケース自体を上記マージンの高さに対応して基板から浮き上がらせ、ケースと当該配線との接触を避ける場合もある。いずれの場合においても、ショートを確実に防止するためには当該マージンには数１００μｍ程度の高さが必要となるが、この幅は発光素子の高さにほぼ等しいので、発光素子から側方へ放出される光を充分に捕捉しきれなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するものであり、その構成は次の通りである。
即ち、配線を有した基板上に配置される発光素子と、
前記発光素子を囲むように配置される薄板状の反射枠と、を備え、
前記反射枠はその実質的に全周で前記基板に当接するとともに、前記配線に対して絶縁性が維持されている、ことを特徴とする発光装置。
【０００６】
このように構成された発光装置によれば、発光素子を囲む反射枠が基板に当接しているので発光素子から側方へ放出される光の全てを捉えてこれを反射させることができる。この反射枠は配線に対して絶縁されているので配線がショートすることもない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各要素について詳細に説明する。
（発光素子）
発光素子には発光ダイオード、レーザダイオードその他の発光素子が含まれる。発光素子の発光波長も特に限定されるものではなく、紫外光〜緑色系光に有効なＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子や赤色系光に有効なＧａＡｓ系半導体素子などを用いることができる。その他、ＳｉＣ、ＡｌＩｎＧａＰなどから形成される発光素子を用いることができる。
ここに、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０＜Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。Ａｌを含むものはこのうち、ＡｌＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体及びＧａＮにおいて、ＩＩＩ族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
【０００８】
発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる発光方向（電極面）を発光装置の光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。
【０００９】
（基板）
基板のベース材料及び形状は発光装置の用途に応じて適宜選択することが出できるが、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機材料やガラス含有のエポキシ樹脂等からなる矩形板状のものを用いることができる。
【００１０】
（配線）
基板の表面には配線が形成される。この配線は金属パターンからなり、発光素子の各電極と外部回路とを電気的に結合して発光素子に対して電力を供給する。配線たる金属パターンの形成材料はその表面層が発光素子を結合するための結合材料に適合したものである必要がある。例えば、電気的結合材料としてＡｕヤイヤを用いるときは金属パターンの表面層をＡｕやＡｇで形成する。
なお、発光素子と基板の配線とを結合するための電気的結合材料として上記のＡｕワイヤ以外にＡｌワイヤ、フリップチップ時に用いられるＡｕバンプ、はんだバンプ、又ははんだめっきなどの共晶材を用いることができる。
【００１１】
（反射枠）
反射枠は反射材料からなる薄板状の基材と絶縁層とから構成される。
薄板状の基材は少なくともその内周面（発光素子対向面）が反射面とされている。かかる反射性の材料としてアルミ、鉄、ステンレス、銅、真ちゅう、ニッケル及びその合金又は反射性をよくするため、その表面にメッキ処理を施したものを挙げることができる。勿論、樹脂やセラミックで当該基材を形成し、その内周面を鏡面処理（金属の蒸着等）することも可能である。基材は筒状として発光素子の側面の全周に対向することが好ましい。当該筒状の基材においてスリット、その他の非連続部を形成することができる。筒状とは直筒のように内径に変化の無いものの他、テーパ状、曲面状等の連続的に内径が変化するもの、また段階的に内径が変化するものなど任意の形状を採用することができる。
【００１２】
絶縁層は少なくとも薄板状の基材の下面（基板当接面）に形成され、基板上の配線のショートを防止する。当該絶縁層としてポリイミド、エポキシ、ポリエステル、エポキシ＋フッ素等の等の合成樹脂や酸化シリコン、酸化チタン等の無機系の材料を用いることができる。
配線のショートをより確実に防止するため絶縁層で基材の全面を被覆することが好ましい。基材の内周面を被覆する絶縁層は透光性とする。
【００１３】
かかる反射枠は発光素子のマウントされた基板に対し、当該発光素子を囲むように配置固定される。反射枠の機械的安定性を確保するためには、ケースに沿わせて、若しくはケースで支持されるように当該反射枠を配置することが好ましい。
反射枠の内側には、発光素子の封止部材が充填される。
封止部材は発光素子を被覆するように形成される部材であり、主として外部環境から発光素子を保護する目的で備えられる。封止部材としてはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の透光性有機高分子材料や低融点ガラス等の透光性無機材料を用いることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明をする。
以下、本発明の一の実施例であるＳＭＤタイプの発光ダイオードを用いて、本発明の構成をより詳細に説明する。
図１は、発光装置１を模式的に表した断面図であり、その平面図を図２に示す。発光装置１は、発光素子１０、基板２０、反射枠３０、ケース４０、及び封止部材５０から概略構成される。
【００１５】
発光素子１０は、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子である。その構成を図３に模式的に示した。図３に示されるように、発光素子１０は、サファイア基板上に、複数のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層が積層された構成からなる。発光素子１０の各層のスペックは次の通りである。

【００１６】
基板１１の上にはバッファ層１２を介してｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型半導体層１３を形成した。ここで、基板１１にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
ここでｎ型半導体層１３はＧａＮで形成したが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮを用いることができる。
ｎ型半導体層１３は発光する層を含む層１４側の低電子濃度ｎ−層とバッファ層１２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。
発光する層を含む層１４は量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
【００１７】
発光する層を含む層１４はｐ型半導体層１５の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層１４中に注入された電子がｐ型層１５に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層１４の上にｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型半導体層１５を形成した。このｐ型半導体層１５はＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮとすることもできる。
さらに、ｐ型半導体層１５を発光する層を含む層１４側の低ホール濃度ｐ−層と電極側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。
上記構成の発光ダイオードにおいて、各ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶＤを実行して形成するか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【００１８】
ｎ電極１８は、ｐ型半導体層１５を形成した後、ｐ型半導体層１５、発光する層を含む層１４、及びｎ型半導体層１３の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりｎ型半導体層１３上に形成される。
透光性電極１６は金を含む薄膜であり、ｐ型半導体層１５の上に積層される。ｐ電極１７も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極１６の上に形成される。
上記の工程により各半導体層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
【００１９】
基板２０はＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）からなる絶縁性基板であって、その表面に所望の配線パターン２１、２２がプリントされている。発光素子１０は基板２０の所望の位置にマウントされる。
【００２０】
反射枠３０は、図４（Ａ）に示すように、薄いＡｌ板からなる基材３１（厚さ：約１００μｍ）の裏面から縁部を薄いエポキシ樹脂膜３３（厚さ：約５〜２０μｍ）で被覆した構成である。なお、反射枠３０全体を図４（Ｂ）に示すように樹脂膜で被覆してもよい。
ケース４０も基板２０と同様にＡｌ_２Ｏ_３製としたが、これに限定されるものではなくＡｌＮなどの他の無機材料若しくは樹脂材料を用いることができる。このケース４０が予め基板２０へ固着され、ケース４０の内周面へ反射枠３０が導入される。これにより、反射枠３０の下面は基板２０へ当接し、反射枠３０の下面（基板対向面）と基板２０との間に隙間がなくなる。なお、樹脂膜３３の膜厚（ほぼ１０μｍ）の透明層が基板２０と反射性の基材３１との間に形成されるが、この厚さは発光素子１０を基板２０へ固定するバンプの厚さ（ほぼ２０〜５０μｍ）に比べて小さい。従って、発光素子１０から側方へ放出された光が当該透明層を通過して漏れ出すことはなく、その光の殆ど全部は反射枠３０の内周反射面に捕捉されて光軸方向へ反射される。
【００２１】
封止部材５０にはエポキシ樹脂を採用した。
このエポキシ樹脂と反射枠裏面から縁部のエポキシとは類似の樹脂のため、接着性がよい。
【００２２】
このように構成された発光装置によれば、反射枠３０が基板２０へ当接するように嵌め込まれているので、発光素子１０から側方に放出された光は全て反射枠３０で反射され、有効に外部へ取り出される。反射枠３０はその裏面から端部が絶縁性の樹脂膜で被覆されているので、配線パターン２１、２２に当接してもこれらをショートさせることがない。
【００２３】
図５に他の実施例の発光装置６０を示す。図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置６０はケース６５の内周面がテーパ状に形成され、これに沿うように反射枠６３もテーパ状とされている。反射枠６３の構成は、図４に示すものと同様に、Ａｌ板からなるテーパ筒状の基材の全面をエポキシ樹脂で被覆したものである。
反射枠６３をテーパ状とすることにより、発光素子１０から側方へ放出された光をより効率よく発光装置の光軸方向へ反射することができる。
【００２４】
図６に他の実施例の発光装置７０を示す。図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置７０は反射枠７３として曲面を有するものを採用した。反射枠７３の構成は、図４に示すものと同様に、Ａｌ板からなるテーパ筒状の基材の全面をエポキシ樹脂で被覆したものである。
反射枠７３を曲面に形成することにより、発光素子１０から側方へ放出された光の反射方向を任意に制御可能となる。
【００２５】
図７に他の実施例の発光装置８０を示す。図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置８０において反射枠８３は金属薄板（Ａｌ板）からなり、その下面のみにエポキシ樹脂からなる絶縁層８４（厚さ：約５〜２０μｍ）が設けられている。この反射枠８３は市販の金属板を単にプレス加工すればよい。従って、反射枠を安価に製造可能となる。
同様に、図８に示す実施例の発光装置９０では、金属薄板をテーパ状にプレス成形してその下面に絶縁層９４（厚さ：約５〜２０μｍ）を設けた。図９に示す実施例の発光装置１００では、テーパ状の金属薄板の下縁に内側に向いたフランジ１０５を形成した。符号１０４は絶縁層（厚さ：約５〜２０μｍ）である。当該フランジ１０５により、絶縁層１０４の面積が大きくなるので、配線パターン２１、２２に対する絶縁性が安定する。なお、図８及び図９において図５と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
図１０には他の実施例の発光装置１１０を示す。図６と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置１１０において曲面状の反射枠１１３は金属薄板からなり、その下面のみに絶縁層１１４（厚さ：約５〜２０μｍ）が設けられている。
【００２６】
図７〜図１０の例によれば、絶縁層を介して金属薄板製の反射枠が基板に当接されている。基板を基準として発光素子の高さに比べて絶縁層の高さが充分に低いので、発光素子から側方に放出された光は、当該絶縁層を通過することなく、反射枠に捕捉されて発光装置の光軸方向へ反射される。また、絶縁層が存在することにより、基板上の配線にショートが生じることが防止されている。
【００２７】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は同じく平面図である。
【図３】図３は実施例で用いる発光素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４は反射枠の構成を示す断面図である。
【図５】図５は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図６】図６は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図７】図７は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図８】図８は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図９】図９は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は他の実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１，６０，７０，８０，９０，１００，１１０発光装置
１０発光素子
２０基板
２１，２２配線パターン
３０，６３，７３，８３，９３，１０３，１１３反射枠

Claims

配線を有した基板上に配置される発光素子と、
前記発光素子を囲むように配置される薄板状の反射枠と、を備え、
前記反射枠はその実質的に全周で前記基板に当接するとともに、前記配線に対して絶縁性が維持されている、ことを特徴とする発光装置。
前記反射枠は金属薄板と該金属薄板において少なくとも前記基板に当接する面を被覆する絶縁膜とを備えてなる、ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記反射枠は短筒状の金属薄板と該金属薄板の全面を被覆する透光性の合成樹脂とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
発光装置において発光素子を囲むように配置される反射枠であって、短筒状の金属薄板の全面が透光性の合成樹脂で被覆されている、ことを特徴とする反射枠。