JP2011134926A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面が導電性を有する第1の基板及び第2の基板からなる一対の基板を有し、該一対の基板は前記表面が対向するように配置され、その間にn型半導体及びp型半導体が上下方向に挟持されて電気的に接続される半導体発光素子を有し、前記第2の基板は第1の基板よりも可撓性が大きい。
【選択図】図1
Description
特に、特許文献1では、衝撃や熱応力を吸収するためにフレキシブル基板を用いることが開示されている。
また、前記半導体発光素子のpn接合界面は、前記第2の基板よりも第1の基板に近いことが好ましい。
また、前記第2の基板の半導体発光素子の接着面側に反射面を有し、該反射面は素子の周囲に傾斜面を有することが好ましい。
また、前記第1の基板は透光性を有することが好ましい。
また、前記第1の基板は、ガラス基板に透明導電膜を設けたものであることが好ましい。
また、前記第2の基板は、金属材料からなることが好ましい。
また、前記第2の基板は、前記第1の基板よりも可撓性が大きいことが好ましい。
また、前記半導体発光素子は、前記加圧工程後のpn接合界面が、前記第2の基板よりも第1の基板に近くなるように前記絶縁性接着剤上に配置されることが好ましい。
また、前記第2の基板と絶縁性接着剤が接触するように加圧することが好ましい。
また、前記構造体に加圧することにより第2の基板を部分的に第1の基板側に突出させ反射面を得ることが好ましい。
また、前記絶縁性接着剤は、半導体発光素子と第1の基板が接触した後に硬化されることが好ましい。
本発明の半導体発光装置100は、図1に示すように、表面に第1の導電性材料21が形成された第1の基板11と、表面に第2の導電性材料22が形成された第2の基板12とからなる一対の基板の間に、n型半導体、活性層33及びp型半導体34が上下方向に挟持されて電気的に接続される半導体発光素子30が配置されている。本実施形態では、説明の便宜上、「導電性基板31」及び「n型半導体層32」の総称を「n型半導体」として説明する。また、活性層33とp型半導体34の界面をpn接合界面とする。一対の基板は、第1の導電性材料及び第2の導電性材料が対向するように配置されており、第1の基板側にp型半導体、第2の基板側にn型半導体が接続されている。第1の基板及び第2の基板の間であって、半導体発光素子が配置された箇所以外には、絶縁性接着剤40が形成されている。
(半導体発光素子)
本発明で用いられる半導体発光素子30は、対向して配置される一対の基板に上面及び下面が接するよう挟持されている。その一方にp側電極、他方にn側電極が設けられ、電圧を印加することにより発光させることができる。半導体層の上下に電極を形成することにより、半導体発光素子自体の小型化が可能になり、基板上に配置できる半導体発光素子の数を増やすことができ、発熱源を分散させることができる。
また、半導体発光素子の発光色は、可視光や紫外光、赤外光などを選択することができる。可視光の場合、発光色は限定されず、緑色半導体発光素子、赤色半導体発光素子、及び青色半導体発光素子のいずれも使用可能である。また、その半導体材料についても特には限定されず、III−V族、II−VI族等のいずれの化合物を用いてもよい。
第1の基板及び第2の基板は、半導体発光素子を挟持するために用いられ、半導体発光装置の外形を規定するものである。本発明では、第2の基板は第1の基板よりも可撓性が大きいもので構成されている。可撓性は、基板に破断やひびが発生しない範囲でできるだけ湾曲させた状態における最小曲げ半径により定量化することができる。さらに、曲げ半径のうち、基板の厚みを含まない半径を内曲げ半径と称する。本実施形態においては、第1の基板の最小の内曲げ半径が25mmより大きく、第2の基板の最小の内曲げ半径が25mm以下であることが好ましい。さらに好ましくは、第1の基板の最小の内曲げ半径が50mm以上であり、第2の基板の最小の内曲げ半径が10mm以下のものである。
さらに、透光性の第1の基板に、蛍光体を混合させた膜を形成し、半導体発光素子から放出された光を波長変換させるような構造としてもよい。例えば、第1の基板としてガラス基板を用い、青色を発光する窒化物系半導体発光素子を用いる場合は、YAGを混合させたシリコーンをガラス基板上に塗布することで白色光を得ることができる。この場合、半導体発光素子から離れた側の面(外面)にYAGを混合させたシリコーンを設けることが好ましいが、半導体発光素子と基板や導電性材料の導通を妨げないように部分的に半導体発光素子と接触する側の面(内面)に設けることもできる。あるいは、ガラス自体に蛍光体を含有させたり、導電性材料に蛍光体を含有させることも可能である。
また、第1の基板がガラス材料からなる場合には、導電性材料は、透明導電膜であることが好ましい。具体的には、ITOが挙げられる。
第2の基板の具体的な材料としては、ポリイミド等の非導電性(絶縁性)の透明樹脂や圧延された金属等を用いることができる。また、公知のフレキシブルプリント基板を用いることも可能である。その基板の厚みとしては、10μm〜100μm程度が挙げられる。
なお、絶縁性接着材と導電性材料の密着性を高めるために、導電性材料の表面を機械的または化学的に粗面化しても良い。粗面化は、研磨布紙や酸処理により行うことができる。
この傾斜面は、傾斜面の端部から半導体発光素子の上部までの幅Wが、半導体発光素子の厚みの0.5〜5倍程度で設けられることが好ましい。具体的には、25〜250μm程度の幅で設けられることが好ましい。また、半導体発光素子の側面と傾斜面のなす角を「傾斜面の傾斜角度」とすると、傾斜角度は、20〜70°程度であることが好ましい。これによって効果的に光を反射させることができる。また、傾斜面の高さHとしては、半導体発光素子の高さの20〜80%程度で設けられることが好ましい。具体的には、10〜40μm程度の高さで設けられることが好ましい。また、傾斜面底部と第1の基板表面の距離Dは、5μm以上となるように形成することが好ましい。第1の基板と第2の基板の接触を防止するためである。この程度以上であれば、時間の経過、高温での動作及び長時間の駆動においても非接触状態を維持することができ好ましい。また、傾斜面は、絶縁性接着剤の厚みを半導体発光素子の厚みよりも薄く形成することで設けることができる。
本発明の半導体発光装置では、第1の基板と第2の基板の間には、半導体発光素子が配置された部分を除いて絶縁性接着剤が形成されていることが好ましい。半導体発光素子の保護及び基板同士の接触防止のために設けられる。また、光取り出し効率の観点からは、透明性の高い材料で形成されることが好ましい。
具体的な材料としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、各種ホットメルトのような透光性を有する熱可塑性または熱硬化性の樹脂が用いられる。
最終的に第1の基板と第2の基板の間に設けられる絶縁性接着剤の厚みとしては、基板同士の接触防止の観点から5μm以上で設けられることが好ましく、基板と半導体発光素子を確実に接触させる観点から、半導体発光素子の厚み以下で形成されていることが好ましい。
この場合、第1の絶縁性接着剤は、寿命特性を向上させるために耐光性の高い材料を用いることが好ましく、半導体発光素子の側面から10μm以上の厚みで設けられることが好ましい。第2の絶縁性接着剤は、基板の接着性及び半導体発光装置の配光性を安定させるため、第1の絶縁性接着剤と接触して設けられることが好ましい。
また、第2の絶縁性接着剤の線膨張係数は、第1の絶縁性接着剤の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。第2の絶縁性接着剤に線膨張係数の小さいものを用いることで、基板同士の接着を安定させることができ、高温動作時にも特性変化の少ない半導体発光装置とすることができる。また、第2の絶縁性接着剤の屈折率は、第1の絶縁性接着剤の屈折率よりも大きいことが好ましい。第1の絶縁性接着剤との界面における光拡散効果により、光取り出し効率を向上させることができる。
弾性材料の大きさは、半導体発光素子の厚みよりも小さいことが好ましい。基板同士を貼り合わせるときに確実に半導体発光素子と基板を接触させるためである。また、少なくとも1μm以上の大きさであることが好ましい。また、弾性材料は、透光性の材料で形成されることが好ましい。
本発明の半導体発光装置は、図2に示すように、半導体発光素子を複数配置した半導体発光装置とすることで、任意の大きさの面発光装置を得ることができる。
基板の形状は、矩形、円形、楕円形等から任意に選択することができる。また、基板の大きさは、求める半導体発光装置の大きさに合わせて所望の大きさとすることができる。例えば、矩形の場合は一辺の大きさが5〜30cm程度が挙げられる。
補助電極としては、幅10〜500μm程度、長さは接続部側の端部から対向する辺までの長さと同程度のものが好ましい。少なくとも半導体発光素子の厚みよりは薄くすることが好ましく、具体的には、0.1〜30μm程度であることが好ましい。また、補助電極の配置としては、1〜10mm程度の間隔を空けて配置されることが好ましい。補助電極の配置される位置としては、半導体発光素子から0.5〜5mmの位置となるように配置すると効果的である。また補助電極の形状は特に限定されない。基板上に部分的に設けられた複数の導電性材料を接続するように設けてもよい。
また、導電性材料と同じ材料でも異なる材料で設けられてもよい。具体的な材料としては、Ag、Au,Cu等が挙げられる。
補助電極の形成方法としては、スパッタ、めっき、印刷、ディスペンス等公知の方法を適宜用いることが可能である。
また、それぞれの半導体発光素子の電極の向きは、一方の電極が全てp側電極またはn側電極となるように揃えてもよい。または、第1の基板に接触する側がp側電極である半導体発光素子とn側電極である半導体発光素子を混在して(電極の向きが不揃いで)配置してもよい。
さらに、加圧を進めると、第2の基板は、第1の基板よりも可撓性が大きいため、図4(e)に示すように、半導体発光素子の形状に合わせて変形されて部分的に第1の基板側に突出する。さらに、加圧を進め、図4(f)に示すように、絶縁性接着剤を貫通させて、半導体発光素子と第1の基板を接触させる。これによって、半導体発光素子と第1の基板を電気的に導通させることが可能になる。また、このとき、半導体発光素子の周囲を取り囲むように絶縁性接着剤が設けられ、第2の基板と絶縁性接着剤とを接着することができる。本発明の方法を用いることで、このように簡単な方法で、第1の基板、半導体発光素子及び第2の基板を接着させることが可能になる。また、基板や半導体発光素子の間に空隙が形成されず、光取出しを向上させることができる。さらに、素子の周囲に傾斜面を設けることができ、光取り出し効率を向上させることができる。最後に、第2の基板と絶縁性接着剤を接着させ第1の基板及び第2の基板で半導体発光素子の上面及び下面を挟持した状態で絶縁性接着剤を硬化させ、半導体発光装置を得る。このときの硬化条件としては、加熱もしくは、紫外光などの照射により硬化させることが好ましい。加熱条件としては、130〜180℃程度、10分〜2時間程度が挙げられる。また、加熱時に0.1〜5MPa程度の圧力を与えるとより密着性が向上する。さらに、基板と接着剤の気泡を抜くため、真空下で行うことも有効である。
また、基板を貼り合わせた後に、さらに圧着ローラー等を用いて両者を強固に接着してもよい。
投入する電流は、好ましくは、1個の半導体発光素子あたり、10mA以下とし、発熱量が基板の10cm四方あたり、1W以上10W以下に設定することが好ましい。
また、このようにして得られた半導体発光装置を任意に分割して用いてもよい。
また、可撓性の小さい基板を第1の基板として用いたが、本発明の半導体発光装置の製造方法においては、可撓性の大きい基板上に絶縁性接着剤及び半導体発光素子を配置し、半導体発光素子上に可撓性の小さい基板を配置して作製してもよい。
<実施例1>
図1及び2に示されるような本実施例の半導体発光装置100は、厚さ0.7mmのガラス基板上に、ITOによる透明導電膜21が形成された第1の基板11、ポリイミド/エポキシ/Cu/Ni(12.5μm/10μm/18μm/5μm)からなる基板12上にAgの導電性材料22が形成された第2の基板の間に複数の半導体発光素子30が配置されている。この半導体発光素子は、図1に示すように、導電性基板上に、n型半導体層、活性層、p型半導体層が形成されている。半導体発光素子の間には、絶縁性接着剤としてエポキシ樹脂が充填されている。また、第1の基板及び第2の基板は、図2に示すように端部を露出するように対向して配置されており、露出した端部の接続部13で外部と接続されている。
まず、5cm四方のガラス基板の一方の面に、ITOを10nm形成した第1の基板を準備する。図4(a)に示すように、一方の導電性基板(第1の基板)のITOが形成された面に、基板の一辺の端部を5mm露出させるように絶縁性接着剤を25μmの膜厚で形成する。
以上のようにして半導体発光装置を得ることができる。
本実施例の実施例1と異なる点は、第2の基板12及び第2の導電性材料22を変更した点であり、具体的には、ポリイミド/エポキシ(12.5μm/10μm)からなる第2の基板上にAlを20μmで設ける。それ以外は、実施例1と同様にして作製する。
本実施例の半導体発光装置は、実施例1の半導体発光装置と同等の特性が得られ、第2の基板の構造の簡素化によりコストダウンを図ることができる。
本実施例の実施例1と異なる点は、図3に示すように、絶縁性接着剤中に弾性材料が含まれる点であり、具体的には、絶縁性接着剤に積水化学工業株式会社製のミクロパールEXが含まれている。半導体発光素子を絶縁性接着剤上に配置した後、第2の基板を配置する前にスプレー散布により、絶縁性接着剤に対して0.3wt%程度の弾性材料を配置する。それ以外は、実施例1と同様にして作製する。
本実施例の半導体発光装置は、実施例1の半導体発光装置と比較して、基板同士の接触による不良を低減することができる。
本実施例の実施例1と異なる点は、図5に示すように、第1の導電性材料上に補助電極が設けられている点であり、具体的には、第1の基板に厚み20μmのAgペーストからなる長さ5cm、幅500μmのパターンを半導体発光素子の実装予定位置の間に等間隔で形成し、続いて第2の絶縁性接着剤を配置する。それ以外は、実施例1と同様にして作製する。
本実施例の半導体発光装置は、実施例1の半導体発光装置と比較して、半導体発光装置の面内において均等に電流を供給することが可能となり、半導体発光装置からの光取り出しを均一にすることができる。
本実施例の実施例1と異なる点は、半導体発光素子30を120μm角のものを用いる点であり、それ以外は、実施例1と同様にして作製する。
本実施例の半導体発光装置は、製造コストを考慮して半導体発光素子の大きさ及び基板上における配置を最適化したため、実施例1の半導体発光装置と比較して安価に製造することができる。
本実施例の実施例1と異なる点は、図6に示すように、第1の基板及び第2の基板が略平行に配置されるように形成する点であり、絶縁性接着剤の膜厚が半導体発光素子の厚みと同程度となるように形成する。それ以外は、実施例1と同様にして作製する。本実施例においては実施例1と同様の効果が得られる。
11 第1の基板
12 第2の基板
13 接続部
21 第1の導電性材料
22 第2の導電性材料
30 半導体発光素子
31 導電性基板
32 n型半導体層
33 活性層
34 p型半導体層
40 絶縁性接着剤
41 弾性材料
50 反射面(傾斜面)
60 補助電極
Claims (13)
- 表面が導電性を有する第1の基板及び第2の基板からなる一対の基板を有し、該一対の基板は前記表面が対向するように配置され、その間にn型半導体及びp型半導体が上下方向に挟持されて電気的に接続される半導体発光素子を有し、前記第2の基板は第1の基板よりも可撓性が大きい半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子のpn接合界面は、前記第2の基板よりも第1の基板に近い請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の基板と第2の基板の間は絶縁性接着剤により充填されている請求項1又は2に記載の半導体発光装置。
- 前記第2の基板の半導体発光素子の接着面側に反射面を有し、該反射面は素子の周囲に傾斜面を有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の基板は透光性を有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の基板は、ガラス基板に透明導電膜を設けたものである請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記第2の基板は、金属材料からなる請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 第1の基板上に絶縁性接着剤を配置する工程と、
前記絶縁性接着剤上に半導体発光素子を配置する工程と、
前記第1の基板とは可撓性の異なる第2の基板を前記半導体発光素子上に配置して構造体を準備する工程と
前記構造体に加圧して、前記半導体発光素子を絶縁性接着剤を貫通して第1の基板と接触させる加圧工程と、を具備することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 前記第2の基板は、前記第1の基板よりも可撓性が大きいことを特徴とする請求項8に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記半導体発光素子は、前記加圧工程後のpn接合界面が、前記第2の基板よりも第1の基板に近くなるように前記絶縁性接着剤上に配置する請求項9に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記第2の基板と絶縁性接着剤が接触するように加圧する請求項8乃至10のいずれか1項に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記構造体に加圧することにより第2の基板を部分的に第1の基板側に突出させ反射面を得る請求項8乃至11のいずれか1項に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記絶縁性接着剤は、半導体発光素子と第1の基板が接触した後に硬化される請求項8乃至12のいずれか1項に記載の半導体発光装置の製造方法。
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