JP2010147191A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LEDチップ(発光ダイオードチップ)を備えた発光装置に関するものである。 The present invention relates to a light emitting device including an LED chip (light emitting diode chip).
従来から、GaN系の窒化物半導体材料(例えば、GaN、InGaN、AlGaNなど)を発光層の材料として利用したLEDチップを実装基板にフリップチップ実装してなる発光装置が知られている(例えば、特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a light emitting device is known in which an LED chip using a GaN-based nitride semiconductor material (for example, GaN, InGaN, AlGaN, etc.) as a light emitting layer material is flip-chip mounted on a mounting substrate (for example, Patent Document 1).
上記特許文献1には、図3に示すように、発光層15’からの光に対して透明な透明基板10a’の一表面側にn形GaN層からなるn形半導体層14’と発光層15’とp形GaN層からなるp形半導体層16’との積層構造を有するLEDチップ10’と、当該LEDチップ10’がフリップチップ実装された実装基板20’とを備えた発光装置A’が記載されている。
In
ここにおいて、LEDチップ10’は、透明基板10a’として結晶成長用基板であるサファイア基板を用いており、透明基板10a’の上記一表面側にバッファ層10b’および光均一化層13’を介してn形半導体層14’が形成され、n形半導体層14’における光均一化層13’側とは反対側に発光層15’が形成され、発光層15’におけるn形半導体層14’側とは反対側にp形半導体層16’が形成されており、p形半導体層16’における発光層15’側とは反対側にアノード電極17’が形成され、n形窒化物半導体14’における発光層15’側の露出表面にカソード電極18’が形成されている。
Here, the
また、実装基板20’は、例えば、窒化アルミニウム基板からなる平板状の絶縁性基板20a’の一表面側にLEDチップ10’のアノード電極17’およびカソード電極18’それぞれがバンプ30’,30’を介して電気的に接続される金属層からなる導体パターン(配線パターン)23’,23’が形成されている。
Further, the
なお、上記特許文献1には、結晶成長用基板として、サファイア基板の他に、GaN基板やZnO基板などを用いてもよいことが記載されている。
ところで、図3に示した構成の発光装置A’は、透明基板10aの他表面が光取り出し面となるようにLEDチップ10’を実装基板20’にフリップチップ実装したものであり、アノード電極17’が発光層15’からの光を反射する反射ミラーを兼ねているので、アノード電極17’で反射された光の一部が発光層15’に再吸収されて発光効率が低下してしまう。
Incidentally, the light emitting device A ′ having the configuration shown in FIG. 3 is obtained by flip-chip mounting the
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光効率の向上を図れる発光装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a light emitting device capable of improving the light emission efficiency.
請求項1の発明は、LEDチップと、当該LEDチップが実装された実装基板とを備え、LEDチップは、n形半導体層とp形半導体層とを有するLED薄膜部、n形半導体層に電気的に接続されたカソード電極およびp形半導体層に電気的に接続されたアノード電極が透明基体の一表面側に形成され、当該透明基体よりもLED薄膜部が実装基板に近くなる形で実装基板に実装されてなり、実装基板は、透光性基板の一表面側にLEDチップのカソード電極およびアノード電極それぞれとバンプを介して接合される導体パターンが形成され、透光性基板の他表面にLEDチップから実装基板側に放射された光を反射する反射膜が形成されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、LEDチップは、透明基体よりもLED薄膜部が実装基板に近くなる形で実装基板に実装され、実装基板は、透光性基板の一表面側にLEDチップのカソード電極およびアノード電極それぞれとバンプを介して接合される導体パターンが形成され、透光性基板の他表面にLEDチップから実装基板側に放射された光を反射する反射膜が形成されているので、LED薄膜部と反射膜との距離を比較的長くすることができ、LED薄膜部から実装基板側へ放射され反射膜で反射される光のLEDチップへの再入射量を低減でき、光取り出し効率が向上するから、発光効率の向上を図れる。 According to this invention, the LED chip is mounted on the mounting substrate such that the LED thin film portion is closer to the mounting substrate than the transparent substrate, and the mounting substrate is disposed on one surface side of the translucent substrate and the cathode electrode of the LED chip and A conductor pattern to be bonded to each anode electrode via a bump is formed, and a reflective film that reflects light emitted from the LED chip to the mounting substrate side is formed on the other surface of the translucent substrate. The distance between the LED and the reflective film can be made relatively long, the amount of light incident on the LED chip that is emitted from the LED thin film part and reflected by the reflective film can be reduced, and the light extraction efficiency is improved. Therefore, the luminous efficiency can be improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記実装基板は、前記導体パターンが透明導電膜により構成されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the mounting substrate is characterized in that the conductive pattern is formed of a transparent conductive film.
この発明によれば、前記導体パターンが金属層により構成されている場合に比べて、前記導体パターンによる光の反射や減衰を抑制できるので、光取り出し効率を向上できる。 According to this invention, since the reflection and attenuation of light by the conductor pattern can be suppressed as compared with the case where the conductor pattern is formed of a metal layer, the light extraction efficiency can be improved.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記LEDチップの前記LED薄膜部と前記実装基板との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部が設けられてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, an underfill portion made of a translucent resin is provided in a gap between the LED thin film portion of the LED chip and the mounting substrate. It is characterized by that.
この発明によれば、前記LEDチップと前記実装基板との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部が設けられていることにより、前記LEDチップにおいて前記LED薄膜部から前記透明基体側とは反対側に放射される光が前記LED薄膜部の表面で反射されるのを抑制して効率良く取り出すことができ、光取り出し効率の向上を図れる。 According to the present invention, an underfill portion made of a translucent resin is provided in a gap between the LED chip and the mounting substrate, so that the LED chip has the LED thin film portion to the transparent substrate side. Can be efficiently extracted by suppressing the light emitted to the opposite side from being reflected on the surface of the LED thin film portion, and the light extraction efficiency can be improved.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記LEDチップは、前記透明基体が、前記一表面を下面とする六角錘状に形成されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the LED chip is characterized in that the transparent substrate is formed in a hexagonal pyramid shape with the one surface as a lower surface.
この発明によれば、前記LEDチップの前記透明基体が六角錘状に形成されているので、前記透明基体が平板状に形成されている場合に比べて光取り出し効率を高めることができる。 According to this invention, since the transparent substrate of the LED chip is formed in a hexagonal pyramid shape, the light extraction efficiency can be increased compared to the case where the transparent substrate is formed in a flat plate shape.
請求項1の発明では、LED薄膜部と反射膜との距離を比較的長くすることができ、LED薄膜部から実装基板側へ放射され反射膜で反射される光のLEDチップへの再入射量を低減でき、光取り出し効率が向上するから、発光効率の向上を図れるという効果がある。
In the invention of
(実施形態1)
以下、本実施形態の発光装置について図1を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the light-emitting device of this embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態の発光装置Aは、図1に示すように、LEDチップ10と、当該LEDチップ10が一表面側に実装された矩形板状の実装基板20とを備えている。
As shown in FIG. 1, the light emitting device A of the present embodiment includes an
LEDチップ10は、青色光を放射するGaN系の青色LEDチップであり、それぞれ窒化物半導体材料により形成されたn形半導体層14と発光層15とp形半導体層16との積層構造を有するLED薄膜部12、n形半導体層14に電気的に接続されたカソード電極18およびp形半導体層16に電気的に接続されたアノード電極17がn形のZnO結晶からなる六角錘状の透明基体11の下面11a側に形成されている。なお、本実施形態では、透明基体11の下面11aが透明基体11の一表面を構成している。
The
LEDチップ10のLED薄膜部12は、n形半導体層14をn形GaN層により構成し、発光層15をInGaN層により構成し、p形半導体層16を発光層15側のp形AlGaN層と当該p形AlGaN層における発光層15側とは反対側のp形GaN層とで構成してあるが、LED薄膜部12の積層構造は特に限定するものではなく、発光層15は単層構造に限らず、多重量子井戸構造ないし単一量子井戸構造でもよい。
The LED thin film portion 12 of the
また、LEDチップ10は、LED薄膜部12の平面視形状を透明基体11の下面11aよりもやや小さな正六角形状の形状に形成してあり、カソード電極18が、LED薄膜部12のn形半導体層14に接する形で形成されて当該n形半導体層14と電気的に接続され、アノード電極17が透明基体11の下面11aに接する形で形成され当該透明基体11を介してp形半導体層16と電気的に接続されている。したがって、n形半導体層14と発光層15とp形半導体層16との平面サイズを同じにすることができる。ここで、LEDチップ10のアノード電極17およびカソード電極18は、下層側のTi膜と上層側のAu膜との積層膜により構成されている。ただし、アノード電極17およびカソード電極18それぞれの形状、サイズ、個数および配置は特に限定するものではない。
In addition, the
上述のLEDチップ10は、主表面がc面のサファイアウェハの主表面側に上記積層構造を有するLED薄膜部12をエピタキシャル成長法(例えば、MOVPE法など)により成長し、その後、LED薄膜部12を透明基体11の基礎となるn形ZnOウェハに接合してから、サファイアウェハを除去し、続いて、塩酸系のエッチング液(例えば、塩酸水溶液など)を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングを行うことによりn形ZnOウェハの一部からなる六角錘状の透明基体11を形成している。なお、n形ZnOウェハとしては、水熱合成法を利用して製造したものを用いている。六角錘状の透明基体11の高さは、n形ZnOウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、n形ZnOウェハとして厚さが500μmのものを用いているので、透明基体11の高さは500μmとなっているが、n形ZnOウェハの厚さは特に限定するものではない。また、透明基体11の下面11aに対する各斜面11bそれぞれの傾斜角は、n形ZnOウェハの結晶軸方向で規定され、n形ZnOウェハにおいて透明基体11の下面11aとなるZn極性面である(0001)面とは反対側のO極性面である(000−1)面に適宜パターニングされたマスクを設けてn形ZnOウェハをO極性面側から異方性エッチングすることにより透明基体11を形成しているので、下面11aに対する各斜面11bそれぞれの傾斜角が60°となっている。
In the
また、LEDチップ10は、LED薄膜部12における透明基体11側とは反対側の表面(ここでは、n形半導体層14の表面)に光取り出し効率向上用の微細凹凸構造14aが形成されている。
Further, in the
上述のLEDチップ10は、アノード電極17とカソード電極18との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりアノード電極17からp形半導体層16へホールが注入されるとともに、カソード電極18からn形半導体層14へ電子が注入され、発光層15に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、透明基体11の各斜面11bおよびLED薄膜部12におけるn形半導体層14の透明基体11側とは反対側の表面から光が放射される。なお、波長が450nmの光に対するZnOの屈折率は2.1、GaNの屈折率は2.4である。
In the
ところで、実装基板20は、透光性基板21の一表面側にLEDチップ10のカソード電極18およびアノード電極17それぞれとバンプ30,30を介して接合される導体パターン23,23が形成され、透光性基板21の他表面にLEDチップ10から実装基板20側に放射された光を反射する反射膜25が形成されている。
By the way, the
要するに、LEDチップ10は、透明基体11よりもLED薄膜部12が実装基板20に近くなる形で実装基板20の上記一表面側に実装されている。なお、実装基板20の平面視形状は、矩形状(本実施形態では、正方形状)となっているが、正方形状に限らず、例えば、長方形状、円形状、六角形状でもよい。
In short, the
ここにおいて、透光性基板21の材料としては、例えば、パイレックス(登録商標)や硼珪酸ガラス(BK7)などのガラスを採用すればよいが、ガラスに限らず、LEDチップ10から放射される光に対して透光性を有する材料であればよく、例えば、6H−SiC、GaN、GaP、サファイアなどを採用してもよい。ただし、LEDチップ10との線膨張係数差が小さく熱伝導率が大きな材料が好ましい。これらの材料の線膨張係数および熱伝導率を下記表1に示す。
Here, as a material of the
また、各導体パターン23は、ITO膜からなる透明導電膜により構成されているが、透明導電膜は、ITO膜に限らず、例えば、GZO(GaをドープしたZnO)膜、AZO(AlをドープしたZnO)膜、IZO(InをドープしたZnO)膜などにより構成してもよい。
Each
また、反射膜25は、Al膜により構成されているが、反射膜25は、Al膜に限らず、例えば、例えば、Ag膜により構成してもよい。
The
以上説明した本実施形態の発光装置Aによれば、LEDチップ10は、透明基体11よりもLED薄膜部12が実装基板20に近くなる形で実装基板20に実装され、実装基板20は、透光性基板21の上記一表面側にLEDチップ10のカソード電極18およびアノード電極17それぞれとバンプ30,30を介して接合される導体パターン23,23が形成され、透光性基板21の上記他表面にLEDチップ10から実装基板20側に放射された光を反射する反射膜25が形成されているので、発光層15と反射膜25との距離を図3に示した従来構成に比べて長くでき、さらに、透光性基板21の上記一表面に光反射膜25を形成する場合に比べて、LED薄膜部12と反射膜25との距離を比較的長くすることができ、LED薄膜部12から実装基板20側へ放射され反射膜25で反射される光のLEDチップ10への再入射量を低減でき、光取り出し効率が向上するから、発光効率の向上を図れる。しかして、本実施形態の発光装置Aによれば、光出力の向上を図れる。なお、図1中の矢印は、LEDチップ10から放射された光の進行経路を模式的に示している。
According to the light-emitting device A of the present embodiment described above, the
また、本実施形態の発光装置Aでは、実装基板20の各導体パターン23,23が透明導電膜により構成されているので、図3に示した従来構成のように各導体パターン23’,23’が金属層により構成されている場合に比べて、各導体パターン23,23による光の反射や減衰を抑制できるので、光取り出し効率を向上できる。
Further, in the light emitting device A of the present embodiment, each
また、本実施形態の発光装置Aによれば、LEDチップ10の透明基体11が六角錘状に形成されているので、透明基体11が平板状に形成されている場合に比べて光取り出し効率を高めることができる。ただし、透明基体11を平板状の形状としてもよい。
Further, according to the light emitting device A of the present embodiment, since the
(実施形態2)
図2に示す本実施形態の発光装置Aの基本構成は実施形態1と略同じであり、LEDチップ10と実装基板20との間の隙間に透光性樹脂(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など)からなるアンダーフィル部40が設けられている点が相違するだけである。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the light emitting device A of the present embodiment shown in FIG. 2 is substantially the same as that of the first embodiment. The only difference is that the
本実施形態の発光装置Aでは、LEDチップ10と実装基板20との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部40が設けられているので、LEDチップ10のアノード電極17およびカソード電極18と透光性基板21の上記一表面側の導体パターン23,23との接続信頼性を高めることができ、しかも、LEDチップ10においてLED薄膜部12から透明基体11側とは反対側に放射される光(発光層14から透明基体11側とは反対側に放射される光)がLED薄膜部12の表面で反射されるのを抑制して効率良く取り出すことができ、光取り出し効率の向上を図れる。
In the light emitting device A of the present embodiment, since the
なお、上述の各実施形態では、LEDチップ10の発光色を青色光としてあるが、LEDチップ10の発光色は青色光に限らず、緑色光、赤色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、n形半導体層14、発光層15、およびp形半導体層16の材料は窒化物半導体材料に限定するものではなく、他の化合物半導体材料でもよい。また、LED薄膜部12は、少なくともn形半導体層14とp形半導体層16とを備えていればよく、発光層15は必ずしも備えている必要はない。
In each of the embodiments described above, the emission color of the
また、上記各実施形態の発光装置Aにおいて、LEDチップ10から放射される光によって励起されてLEDチップ10よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成され実装基板20との間にLEDチップ10を囲む形で実装基板20の上記一表面側に固着されるドーム状の色変換部材(図示せず)を設けるようにしてもよい。この場合の上記色変換部材の材料として用いる透光性材料として、例えば、シリコーン樹脂を用いればよいが、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、ガラス、有機成分と無機成分とがnmレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを採用してもよく、ガラスを採用すれば、シリコーン樹脂を採用している場合に比べて、上記色変換部材の熱伝導性が向上するので、蛍光体の温度上昇をより抑制できて光束を向上させることができ、しかも、水蒸気やNOxなど対するガスバリア性や耐透湿性が向上するとともに、蛍光体の吸湿劣化を抑制でき、信頼性および耐久性が向上する。また、上記色変換部材の材料として用いる透光性材料に混合する蛍光体として黄色蛍光体を採用しているが、黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。
Further, in the light emitting device A of each of the above embodiments, the mounting substrate is formed of a translucent material containing a phosphor that is excited by light emitted from the
10 LEDチップ
11 透明基体
11a 下面(一表面)
12 LED薄膜部
14 n形半導体層
16 p形半導体層
17 アノード電極
18 カソード電極
20 実装基板
21 透光性基板
23 導体パターン
25 反射膜
30 バンプ
40 アンダーフィル部
10
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 LED thin film part 14 n-type semiconductor layer 16 p-
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JP2008321512A JP2010147191A (en) | 2008-12-17 | 2008-12-17 | Light-emitting device |
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