JP2009038293A

JP2009038293A - 発光装置

Info

Publication number: JP2009038293A
Application number: JP2007203017A
Authority: JP
Inventors: Hironori Tsujimura; 裕紀辻村; Satoshi Nakagawa; 聡中川
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】発光素子から発せられた偏向光の乱れを防止することができる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１は、直線偏光成分が均等ではなく偏りをもった偏向光２０を発する発光素子２と、この発光素子が実装された実装ベース３とを備える。この発光素子は非極性面又は半極性面を主面とする窒化物半導体により構成される。また実装ベースはリフレクタ３０Ｒを兼ねた断面凹型形状の実装面３０を備え、この実装面及びリフレクタの表面は鏡面となるようにメタルコーティング面３５とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関し、特に偏向光を発する発光素子が実装される発光装置に関する。

例えば液晶ディスプレイのバックライト等には発光素子から入射される光の伝搬方向を変更して出力する光学素子（導光板）が使用されている。この導光板から出力された光は偏光板を介して液晶パネルに入力され、液晶ディスプレイに画像を表示することができる。導光板に入射された光（以下、単に「入射光」という。）は導光板の内部において散乱された後、光を取り出す発光面全体において散乱された光を均一に発光させることができる。すなわち、導光板の内部において入射光を反射する反射面の表面に反射パターンが形成されており、入射光が反射パターンによって方向付けされて導光板の内部を伝搬し、導光板の内部を伝搬した光は発光面から出力される。

近年、出力光を偏向光とする発光素子が採用される傾向にある。この種の発光素子を液晶バックライトやプロジェクタの光源として使用すれば、偏光板においてカットされる光の成分が少なくなり、発光効率を向上することができるものであると、下記非特許文献1に記載されているように期待がなされている。
タケウチ（T. Takeuchi）他著、「ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジクス、第３９巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.39) 」、２０００年、４１３頁−４１６頁。

偏向光を発する発光素子はパッケージ基板上にダイボンディングにより実装され、この実装された発光素子は光透過性樹脂によりモールドされている。発光素子にはLED（light emitting diode）が使用される。この種の発光素子においては、被照射面に対向する表面から偏向光が発せられるだけでなく、端面並びに裏面からも偏向光が発せられる。このような偏向光を有効に利用し、発光効率を向上するために、パッケージ基板には発光素子の端面並びに裏面から発せられた偏向光を被照射面に反射するリフレクタ面が備えられている。

しかしながら、パッケージ基板は例えばセラミックスにより構成されており、パッケージ基板の発光素子を実装するリフレクタを含む内面は凹凸を有し粗れている。このため、パッケージ基板の内面において発光素子の端面並びに裏面から発せられた偏向光に乱反射が生じ、発光装置から発せられる偏向光に乱れが生じる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、発光素子から発せられた偏向光の乱れを防止することができる発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、発光装置において、偏向光を発する発光素子と、発光素子が実装され、この発光素子が実装された内面の少なくとも一部が鏡面である実装ベースとを備える。第１の特徴に係る発光装置において、実装ベースの内面は、発光素子が実装される実装面と、発光素子から発せられる偏向光を反射するリフレクタとを更に備え、実装面及びリフレクタが鏡面であることが好ましい。また、第１の特徴に係る発光装置において、鏡面は内面又は実装面及びリフレクタの表面粗さを発光素子から発せられる偏向光の波長の４分の１以下に設定した面であることが好ましい。また、第１の特徴に係る発光装置において、鏡面は内面又は実装面及びリフレクタの表面粗さを100 nm以下に設定した面であることが好ましい。また、第１の特徴に係る発光装置において、鏡面はメタルコーティング面であることが好ましい。また、第１の特徴に係る発光装置において、実装ベースはセラミックスにより構成され、メタルコーティング面はアルミニウム、銀のいずれかのコーティング面であることが好ましい。更に、第１の特徴に係る発光装置において、発光素子は、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体により構成され、第１導電型の第１半導体層、この第１半導体層上の発光層及びこの発光層上の第２導電型の第２半導体層を備えたことが好ましい。

本発明の第２の特徴は、発光装置において、偏向光を発し、端面が鏡面である発光素子と、発光素子が実装され、この発光素子が実装された内面の少なくとも一部が鏡面である実装ベースとを備える。

本発明によれば、発光素子から発せられた偏向光の乱れを防止することができる発光装置を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、発光素子にLEDを使用し、面実装構造を有する発光装置に本発明を適用した例を説明するものである。

［発光装置の構成］
図１に示すように、第１の実施の形態に係る発光装置１は、偏向光２０を発し端面２Ｗが鏡面である発光素子２と、発光素子２が実装され、この発光素子２が実装された内面の少なくとも一部が鏡面である実装ベース３とを備えている。更に、発光装置１は、発光素子２を覆い、発光素子２から発せられる偏向光２０を透過する光透過性樹脂部４を備えている。

［実装ベースの構成］
実装ベース３は、第１の実施の形態において面実型構造のパッケージ基板であり、リフレクタ３０Ｒを兼ねた断面凹型形状の実装面３０を備えている。実装ベース３の実装面３０の底面上に発光素子２が実装され、この実装された発光素子２の側面周囲において実装ベース３上にテーパ面からなるリフレクタ３０Ｒが構成されている。実装面３０とリフレクタ３０Ｒとは一体に構成されている。第１の実施の形態において、実装ベース３にはAlN、Al₂O₃等のセラミックスを実用的に使用することができ、このセラミックスは焼成法により製作される。

実装ベース３の発光素子２が実装される内面、すなわち実装面３０及びリフレクタ３０Ｒにはメタルコーティング面３５が配設されており、このメタルコーティング面３５は鏡面である。発光素子１は導電性を有する接着材６を介して実装面３０上に電気的かつ機械的に接続される。接着材６には例えば銀（Ag）ペーストを実用的に使用することができる。

ここで、「鏡面」とは、発光素子１の被照射面に対向する表面から発せられる偏向光２０の他に、発光素子１の端面２Ｗ並びに裏面から発せられる偏向光２０Ｒの乱反射を減少することができ、偏向光２０の偏光特性を乱すことがない反射面という意味で使用されている。詳細には、発光素子１から発せられる偏向光２０Ｒの波長の４分の１以下の表面粗さを持つ表面であれば、その表面を反射する偏向光２０Ｒに乱反射を生じることがない。例えば、発光素子１から発せられる偏向光２０Ｒの波長が400 nmである場合、メタルコーティング面３５の表面粗さは100 nm以下に設定されている。

第１の実施の形態において、メタルコーティング面３５には電解めっき法により成膜されたアルミニウム（Al）、Agのいずれかの高い反射率を有する金属薄膜を実用的に使用することができる。これらの金属薄膜は例えば数百nm〜数μmの膜厚において成膜される。なお、金属薄膜の成膜方法には蒸着法、スパッタリング法等の他の成膜方法を使用することができる。

［発光素子の構成］
発光素子２は、第１の実施の形態において、偏向光２０を発するLEDである。ここで、「偏向光」とは直線偏光成分が均等（ランダム）ではなく偏りがあるものを意味するが、第１の実施の形態においては100 %の直線偏光である必要はない。従って、偏向光２０の偏光方向とは最も直線偏光成分の大きい方向である。

第１の実施の形態に係る発光素子２は、例えば、図２に示すように、偏向光２０を発生する発光部２２０と、この発光部２２０を搭載し発光部２０から発せられる偏向光２０を出力する出力部（基板）２１０とを備えている。

発光部２２０は、GaN結晶の非極性面（non-polar plane）又は半極性面（semi-polar plane）を結晶成長表面として使用し、第１導電型の第１半導体層２２１、活性層２２２及び第２導電型の第２半導体層２２３のそれぞれを、順次、結晶成長表面の法線方向に積層して形成されている。例えば、結晶成長表面が非極性面であるｍ面とすると、発光素子２はｍ面を主面とするIII族窒化物半導体により構成される。III族窒化物半導体には、例えば窒化アルミニウム（AlN）、窒化ガリウム（GaN）、窒化インジウム（InN）等がある。代表的なIII族窒化物半導体はAl_xIn_yGa_1-x-yN（0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x＋y≦1）により表される。GaN半導体は、窒素を含む六方晶化合物半導体の中でもよく知られたIII−Ｖ族化合物半導体である。

活性層２２２には、第１半導体層２２１から第１導電型のキャリアが供給され、第２半導体層２２３から第２導電型のキャリアが供給される。第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である場合、活性層２２２において第１半導体層２２１から供給される電子と第２半導体層２２３から供給される正孔との再結合がなされ、活性層２２２から偏向光２０が発せられる。なお、活性層２２２には、例えば、井戸層（ウェル層）を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層（層障壁層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸（quantum well）構造を採用することができる。また、量子井戸構造には井戸層が１つではなく多重化された量子井戸構造が含まれ、更に活性層２２２を多重量子井戸（MQW）構造とする量子井戸構造が含まれる。

通常、GaN結晶の極性面であるｃ面を結晶成長表面とするIII族窒化物半導体からなる活性層から取り出される光はランダム偏光（無偏光）状態である。一方、ｃ面以外のａ面、ｍ面等の非極性面又は半極性面を結晶成長表面とするIII族窒化物半導体を用いて形成した活性層２２２から取り出される光においては強い偏光状態を実現することができる。例えば、ｍ面を主面として活性層２２２が構成される場合、ｍ面に平行な偏光成分、より具体的にはａ軸方向の偏光成分を多く含む偏向光２０を活性層２２２から発生させることができる。非極性面及び半極性面の詳細な説明は後述する。

発光部２２０は出力部２１０の結晶成長面上に結晶成長により成長させ形成される。すなわち、図２に示すように、発光素子２は、出力部２１０を含み、この出力部２１０と、この出力部２１０上の第１半導体層２２１と、この第１半導体層２２１上の活性層２２２と、この活性層２２２上の第２半導体層２２３とを備えている。第１の実施の形態において、出力部２１０は例えばGaN単結晶基板により構成されている。出力部１０の結晶成長表面となる主面が非極性面であるｍ面を主面とした場合、この主面上に結晶成長により発光部２２０を形成することができる。つまり、発光部２２０はｍ面を結晶成長主面とするGaNにより構成され、発光素子２はｍ面を結晶成長面主面として成長させたIII族窒化物半導体により構成される。出力部２１０の主面は発光部２２０の結晶成長表面と同一である。

発光素子２は、更に第１半導体層２２１に動作電圧を供給する第１電極２１１と、第２半導体層２２３に動作電圧を供給する第２電極２１２とを備える。同図２に示すように、第２半導体層２２３、活性層２２２及び第１半導体層２２１の一部の領域がメサエッチングにより除去され第１半導体層２２１が露出された表面上に第１電極２１１が配設される。第１の半導体層２２１と第１電極２１１との間は電気的に接続されている。第２電極２１２は第２半導体層２２３上に配設される。第２半導体層２２３と第２電極２１２との間は電気的に接続されている。

第１電極２１１には例えばアルミニウム（Al）が使用され、第２電極２１２には例えばパラジウム（Pd）−金（Au）合金が使用される。第１電極２１１は第１半導体層２１１にオーミック接続され、第２電極２１２は第２半導体層２３３にオーミック接続される。なお、第１半導体層２２１と第１電極２１１の間に第１導電型のコンタクト層を介在させてもよい。また、第２半導体層２２３と第２電極２１２との間に第２導電型のコンタクト層を介在させてもよい。

発光素子２において、出力部２１０の第１半導体層２２１に接する結晶成長表面（主面若しくは表面）に対向する面（裏面）は出力面２１０Ａである。活性層２２２から発せられた偏向光２０は、出力光として出力面２１０Ａから発光素子２の外部に出力される。

発光素子２の端面２Ｗは、前述の実装ベース３の実装面３０上並びにリフレクタ３０Ｒ上に配設されたメタルコーティング面３５と同様に鏡面である。端面２Ｗは、発光素子２を劈開によりチップ化した後に、エッチング、研磨（例えばケミカルメカニカルポリッシング：CMP）等の加工技術により鏡面化される。

［発光素子の結晶構造］
発光素子２を構成するIII族窒化物半導体のユニットセルの結晶構造は図３及び図４に示すように六方晶系の結晶構造により近似することができる。六方晶系の結晶構造において、ｃ軸は六角柱の軸方向に沿う結晶軸である。このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）はｃ面｛０００１｝である。ｃ面に平行な２つの面においてIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子を並べた結晶面になる。−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子を並べた結晶面となる。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とにおいて異なる性質を示すので、極性面（polar plane）と呼ばれている。

図４に示すように、１つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合されている。４つの窒素原子はIII族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子のうち、１つの窒素原子はIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の３つの窒素原子はIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような結晶構造を有するので、III族窒化物半導体において分極方向はｃ軸に沿っている。

六方晶系の結晶構造においては、六角柱の側面のそれぞれはｍ面｛１−１００｝である。隣り合わない一対の稜線を通る面はａ面｛１１−２０｝である。ｍ面並びにａ面は、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面すなわち非極性面である。更に、ｃ面に対して傾斜している（ｃ面に平行でもなく、直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているので、若干の極性のある平面すなわち半極性面（semi-polar plane）である。半極性面の具体例は、図５（Ａ）に示す｛１０−１１｝面、図５（Ｂ）に示す｛１０−１３｝面等である。

［光透過性樹脂部］
第１の実施の形態に係る発光装置１において、図１に示す光透過性樹脂部４は、実装面３０とリフレクタ３０Ｒとにより構築された凹部内に充填され、発光素子２を覆い、発光素子２の表面から発せられる偏向光２０並びに端面２Ｗ及び裏面から発せられリフレクタ３０Ｒにより反射された偏向光２０Ｒを透過する。この光透過性樹脂部４には、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂のいずれかを実用的に使用することができる。なお、第１の実施の形態において、光透過性樹脂部４はこれらの樹脂材料に限定されるものではない。

このように構成される第１の実施の形態に係る発光装置１においては、実装ベース３の発光素子２が実装される内面を鏡面としたので、発光素子２の端面２Ｗ並びに裏面から発せられる偏向光２０Ｒの乱反射を減少することができ、偏向光２０の乱れを減少することができる。更に、第１の実施の形態に係る発光装置１においては、発光素子２の端面２Ｗを鏡面としたので、端面２Ｗにおける偏向光２０Ｒの乱反射を減少することができ、偏向光２０の乱れを減少することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係る面実装構造を有する発光装置１に代えて砲弾型パッケージ構造を備えた発光装置に本発明を適用した例を説明するものである。

図６に示すように、第２の実施の形態に係る発光装置１は、偏向光２０を発し端面２Ｗが鏡面である発光素子２と、発光素子２が実装され、この発光素子２が実装された内面が鏡面である実装ベース３とを備えている。更に、発光装置１は、発光素子２を覆い、発光素子２から発せられる偏向光２０を透過する光透過性樹脂部４を備えている。

実装ベース３は、第２の実施の形態において、リード３１の一端に配設され、このリード３１に一体に構成されている。リード３１は第２の実施の形態においてカソード電極として使用されている。実装ベース３の基本的構成は、前述の第１の実施の形態に係る発光装置１の実装ベース３と同様であり、リフレクタ３０Ｒを兼ねた断面凹型形状の実装面３０を備えている。実装ベース３の実装面３０の底面上に発光素子２が実装され、この実装された発光素子２の側面周囲において実装ベース３上にテーパ面からなるリフレクタ３０Ｒが構成されている。実装ベース３の発光素子２が実装される内面つまり実装面３０上並びにリフレクタ３０Ｒ上には、前述の第１の実施の形態に係る発光装置１の実装ベース３と同様に、メタルコーティング面３５が配設されている。

リード３１に近接した領域にはリード３２が配設されている。このリード３２はアノード電極として使用され、リード３２の一端は符号を付けないがワイヤを通して発光素子２に電気的に接続されている。

光透過性樹脂部４は、リード３１の一端の実装ベース３並びにリード３２の一端を被覆し、発光素子２０上、すなわち発光素子２から偏向光２０を発する部分に半円球形状のレンズ部４２を有する。この光透過性樹脂部４には、前述の第１の実施の形態に係る発光装置１の光透過性樹脂部４と同様に、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂のいずれかの樹脂を実用的に使用することができる。

このように構成される第２の実施の形態に係る発光装置１においては、前述の第１の実施の形態に係る発光装置１により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は前述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含む。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の構成図である。図１に示す発光装置の発光素子の構成を示す要部断面図である。図２に示す発光素子のIII族窒化物半導体の非極性面を説明する結晶構造図である。図２に示す発光素子のIII族窒化物半導体の原子配列を説明する結晶構造図である。（Ａ）及び（Ｂ）はいずれも図２に示す発光素子のIII族窒化物半導体の半極性面を説明する結晶構造図である。本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の構成図である。

符号の説明

１…発光装置
２…発光素子
２０、２０Ｒ…偏向光
２１０…出力部
２１０Ａ…出力面
２１１…第１電極
２１２…第２電極
２２０…発光部
２２１…第１半導体層
２２２…活性層
２２３…第２半導体層
３…実装ベース
３０…実装面
３０Ｒ…リフレクタ
３５…メタルコーティング面
４…光透過性樹脂部

Claims

偏向光を発する発光素子と、
前記発光素子が実装され、この発光素子が実装された内面の少なくとも一部が鏡面である実装ベースと、
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記実装ベース内面は、前記発光素子が実装される実装面と、前記発光素子から発せられる偏向光を反射するリフレクタとを更に備え、
前記実装面及び前記リフレクタが鏡面であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記鏡面は前記内面又は前記実装面及び前記リフレクタの表面粗さを前記発光素子から発せられる偏向光の波長の４分の１以下に設定した/面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記鏡面は前記内面又は前記実装面及び前記リフレクタの表面粗さを100 nm以下に設定した面であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置。
前記発光素子は、非極性面又は半極性面を主面とするIII族窒化物半導体により構成され、第１導電型の第１半導体層、この第１半導体層上の発光層及びこの発光層上の第２導電型の第２半導体層を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光装置。
偏向光を発し、端面が鏡面である発光素子と、
前記発光素子が実装され、この発光素子が実装された内面の少なくとも一部が鏡面である実装ベースと、
を備えたことを特徴とする発光装置。