JP2014225636A - 発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光デバイスを提供すること。【解決手段】本発明の発光デバイス（１）は、パッケージ（２）実装面（２ａ）に表面（３ａ）が支持固定される発光ダイオード（３）と、発光ダイオード（３）の裏面（３ｂ）に接着されたチップ（５）とを含んで形成されている。発光ダイオード（３）は、発光層（１１）を表面（３ａ）に備えている。チップ（５）は、透光性を有する透光性部材からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、発光層を有する発光ダイオードで形成される発光デバイスに関する。

ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等を含む発光デバイスが実用化されている。これらの発光デバイスは、通常、電圧の印加によって光を放出する発光層が形成された発光チップを備える。発光チップの製造は、先ず、結晶成長用基板上における格子状の分割予定ラインで区画された各領域に、発光層としてエピタキシャル層（結晶層）を成長させる。その後、結晶成長用基板を分割予定ラインに沿って分割して個片化することで、個々の発光チップが形成される。

緑や青色の光を出射する発光層がＩｎＧａＮ系の発光チップでは、サファイアが結晶成長用基板に一般的に用いられ、このサファイア基板上に順次ｎ型ＧａＮ半導体層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させる。そして、ｎ型ＧａＮ半導体層とｐ型ＧａＮ半導体層とのそれぞれに外部取り出し用電極が形成される。このような発光チップを有する発光デバイスにおいては、より高い輝度が求められており、光の取り出し効率の向上を高めるための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１０６７０号公報

ところで、ＬＥＤ等を実装する発光デバイスの発光効率は、ワイヤーボンディング実装に比べ、フリップチップ実装の方が数パーセント高まるとされている。フリップチップ実装では、発光チップの表面側（発光層側）をパッケージ実装面に固定し、発光チップの裏面側（サファイア基板側）が露呈される。従って、電圧の印加によって発光層で生じる光は、サファイア基板を透過して発光チップの裏面側（サファイア基板側）から放出される。しかしながら、かかる発光チップの裏面は、サファイア基板と空気層との界面部分であるので、発光層で生じる光の一部が該界面で反射されることとなる。反射された光は、サファイア基板内を伝播して発光層に戻って吸収される。この吸収された分の光が外部に取り出すことができずに輝度低下の要因となる。このように、サファイア基板で反射されて発光層に吸収された光の割合が高くなると、発光ダイオードの光の取り出し効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記問題にかんがみなされたもので、その目的は、フリップチップ実装された発光ダイオードにおける更なる光の取り出し効率を向上させることができる発光デバイスを提供することである。

本発明の発光デバイスは、発光層を表面に備え該表面がパッケージ実装面に支持固定される発光ダイオードの裏面に透光性を有する透光性部材からなるチップが接着されて形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、発光ダイオードの裏面に透光性を有する透光性部材からなるチップが接着されているので、発光層から出射した光のうち、発光ダイオードの裏面で反射する光を減らしてチップ側へ透過する光を多くすることができる。さらに、チップと空気層との界面で反射する光は、チップの厚さに応じて発光層に戻る光の割合を低く抑えることができ、その結果として、光の取り出し効率が向上するという効果を奏する。

また、本発明の発光デバイスにおいて、該発光ダイオードは、サファイア基板又はＧａＮ基板にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されても良い。この構成によれば、青色や緑色の光を放つ発光ダイオードにおいて、光の取り出し効率を高めることができる。また、サファイア基板又はＧａＮ基板を含んで発光ダイオードが構成されるので、チップと空気層との界面で反射した光を基板側面から出射することができ、これによっても、光の取り出し効率を高めることができる。また、サファイア基板やＧａＮ基板を薄くしても、チップの厚さに応じて、反射光を発光層から外れた位置へ入射できるので、光の取り出し効率を低下させることなく薄いサファイア基板やＧａＮ基板を利用でき、薄い結晶成長用基板による加工性を維持することができる。

本発明によれば、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光デバイスを提供できる。

本実施の形態に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。 本実施の形態に係る発光デバイスにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。 比較例に係る発光デバイスにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る発光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る発光デバイスにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。図１及び図２に示すように、発光デバイス１は、パッケージ２と、パッケージ２の実装面２ａに支持固定される発光ダイオード３と、この発光ダイオード３に接着されたチップ５とを含んで形成されている。

パッケージ２は、発光ダイオード３を収容可能な凹部７を有する有底容器状に形成されている。凹部７の底面は、発光ダイオード３が実装される実装面２ａとされる。実装面２ａには、互いに絶縁された２個の接続電極８ａ，８ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続電極８ａ，８ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。なお、接続電極８ａ，８ｂの表面は、発光ダイオード３から出射する光の反射面としても作用する。凹部７における筒状の内周面７ａには、鏡面仕上げ等の光を効率良く反射する処理が施されている。

発光ダイオード３は、平面形状が矩形状のサファイア基板１０と、サファイア基板１０の一方の主面（図２中下面）に形成された発光層１１とを備えている。発光層１１は、ＧａＮ系の半導体材料を用いて形成される複数の半導体層（ＧａＮ半導体層）を含む。発光ダイオード３は、発光層１１の実装面２ａに支持固定される固定面（図２中下面）が表面３ａとされ、サファイア基板１０のチップ５との接着面（図２中上面）が裏面３ｂとされる。

発光層１１は、電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）、発光する半導体層（例えば、ＩｎＧａＮ層）、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）を順にエピタキシャル成長させることで形成される。発光ダイオード３の表面３ａには、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層にそれぞれ接続される電極（不図示）が設けられている。これらの電極は、バンプと呼ばれる突起状の端子によって形成され、発光ダイオード３の表面３ａが実装面２ａに支持固定されることで、接続電極８ａ，８ｂに接続され、発光ダイオード３がフリップチップ実装される。

チップ５は、発光ダイオード３の裏面３ｂ（サファイア基板１０）に接着されている。チップ５は、ガラス（例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等）や樹脂等の透光性部材からなり、発光層１１から放射される光を透過する材料で形成されている。チップ５は、サファイア基板１０に接着される第１主面５ａと、該第１主面５ａと反対側に形成される第２主面５ｂとを有する。チップ５の第１主面５ａ及び第２主面５ｂの各面積は、発光ダイオード３の裏面３ｂの面積より大きくなっており、後述するように面積が大きい程、発光デバイス１の輝度を向上できる。また、チップ５は、サファイア基板１０と同等以上の厚みを有することが望ましく、後述するように厚みが厚い程、発光デバイス１の輝度を向上できる。チップ５の第１主面５ａは、透光性を有する樹脂（不図示）で発光ダイオード３の裏面３ｂに接着されている。

パッケージ２の配線（不図示）等に接続される電源からの電圧が発光ダイオード３の発光層１１に印加されると、発光層１１の半導体層には、ｎ型半導体層から電子が流れ込むと共に、ｐ型半導体層から正孔が流れ込む。その結果、発光する半導体層において電子と正孔との再結合が生じ、所定の波長の光が放出される。本実施の形態では、ＧａＮ系の半導体材料を用いて発光する半導体層を形成しているので、ＧａＮ系の半導体材料のバンドギャップに相当する青色や緑色の光が放出される。

次に、本実施の形態に係る発光デバイス１による輝度改善効果について、比較例に係る発光デバイスを参照しながら説明する。図３は、比較例に係る発光デバイスの断面模式図であり、発光ダイオードから光が放出される様子を示す。図３に示すように、比較例に係る発光デバイス１０１は、本実施の形態に係る発光デバイス１とチップ５を除き共通の構成を備える。すなわち、発光デバイス１０１は、パッケージ１０２及び該パッケージ１０２に支持固定される発光ダイオード１０３を含み、発光ダイオード１０３は、サファイア基板１１０及び発光層１１１を備えている。

先ず、比較例に係る発光デバイス１０１において実現される輝度について説明する。比較例に係る発光デバイス１０１の発光層１１１で生じた光は、発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂであるサファイア基板１１０と空気層との界面に入射して、一部が空気層側へ透過して放出され（例えば、光路Ｂ１，Ｂ２）、残りが反射される（例えば、光路Ｂ３，Ｂ４）。発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂ（サファイア基板１１０）で反射して光路Ｂ３，Ｂ４を伝播する光は、発光層１１１の形成領域に入射するので、発光層１１１で吸収されることとなり、輝度低下の要因となる。比較例に係る発光デバイス１０１では、発光層１１１で生じた光の反射面が空気層に接する発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂとなるので、該裏面１０３ｂで反射される光（光路Ｂ３，Ｂ４）の割合は、本実施の形態に係る発光デバイス１のように発光ダイオード３の裏面３ｂにチップ５を接着する構成に比べて高くなる。発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂで反射した光のうちの一部は、サファイア基板１１０の側面から出射されるが、サファイア基板１１０が薄くなる程に、発光層１１１と発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂとの距離が短くなり、当該裏面１０３ｂで反射して発光層１１１に戻る光の割合は高くなるので、光の取り出し効率は低下してしまう。

一方、図２に示すように、本実施の形態に係る発光デバイス１においては、発光層１１で生じた光がサファイア基板１０とチップ５との界面である発光ダイオード３の裏面３ｂへ入射して、一部がチップ５側へ透過し（例えば、光路Ａ１，Ａ２）、残りが反射される（例えば、光路Ａ３，Ａ４）。さらに、チップ５側へ透過した光は、チップ５と空気層との界面であるチップ５の第２主面５ｂへ入射して、一部が空気層側へ透過して放出され（例えば、光路Ａ５，Ａ６）、残りが反射される（例えば、光路Ａ７，Ａ８）。

本実施の形態に係る発光デバイス１では、発光層１１で生じた光の最初の反射面となる発光ダイオード３の裏面３ｂに透光性部材からなるチップ５が接着されているので、該発光ダイオード３の裏面３ｂで反射される光（光路Ａ３，Ａ４）の割合を、発光ダイオード３の裏面３ｂが直接空気層に接する構成（比較例）に比べて、より低く抑えることができる。これは、サファイア基板１０の屈折率に対し、空気よりも透光性部材からなるチップ５の方がより近い屈折率となるからである。したがって、本実施の形態の発光デバイス１は、発光ダイオード３の裏面３ｂにおいて比較例に比べてより多くの光をチップ５側へ透過することができ、発光ダイオード３の裏面３ｂで反射して発光層１１で吸収される光量を少なくすることができる。その結果、発光ダイオード３の裏面３ｂで反射し、光路Ａ３，Ａ４を経由して発光層１１に戻って吸収される光量を小さくでき、光の取り出し効率を改善できる。

また、発光ダイオード３の裏面３ｂに接着された透光性部材からなるチップ５は所要の厚さを有しているので、チップ５の第２主面５ｂで反射された反射光のうち、例えば、光路Ａ７、Ａ８を伝播する光は、発光層１１の形成領域よりも外側の凹部７の底面（接続電極８ａ，８ｂ、実装面２ａ）へ入射する。発光層１１の形成領域よりも外側となる接続電極８ａ，８ｂ、実装面２ａへ入射した光は、凹部７の内周面７ａ側へ反射される。光路Ａ７を伝播する光は、サファイア基板１０の側面から出射され、接続電極８ａ，８ｂや凹部７の内周面７ａで反射されて外部に取り出される。また、光路Ａ８を伝播する光は、サファイア基板１０を通らずに、接続電極８ａ，８ｂや凹部７の内周面７ａで反射されて外部に取り出される。したがって、チップ５の第２主面５ｂで反射された反射光のうち、発光層１１の形成領域よりも外側へ反射された光は、発光層１１で吸収されずに取り出すことが可能になる。

このように、本実施の形態に係る発光デバイス１によれば、発光ダイオード３の裏面３ｂに透光性部材からなるチップ５を接着したことにより、発光層１１から反射位置となるチップ５の第２主面５ｂまでの距離が長くなる。これにより、比較例のように発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂで反射する場合に比べ、発光層１１の形成領域に戻る光の割合を低く抑えることができ、光の取り出し効率を高めることができる。

以上のように、本実施の形態に係る発光デバイス１によれば、発光ダイオード３の裏面３ｂに透光性部材からなるチップ５を設けたので、比較例に比べて発光ダイオード３の裏面３ｂで反射して発光層１１１に戻る光量を少なくできる。さらにチップ５の第２主面５ｂで反射する光が発光層１１に戻る割合を低く抑えることができ、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。

なお、サファイア基板は硬くて加工が容易でないので、薄いサファイア基板を用いて加工性を高めておくことが望ましい。この場合、比較例の発光デバイス１０１では、発光層１１と、発光ダイオード１０３の裏面１０３ｂ（サファイア基板１１０の図３中上面）との距離が短くなり、当該裏面１０３ｂで反射して発光層１１１に戻る光の割合は高くなり、光の取り出し効率は低下してしまう。これに対して、本実施の形態に係る発光デバイス１では、サファイア基板１０を薄くしてもチップ５によって光の取り出し効率を高く維持できる。つまり、光の取り出し効率を維持するためにサファイア基板１０を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。

次に、本実施の形態に係る発光デバイス１の輝度改善効果を確認するために行った実験について説明する。本実験では、本実施の形態に係る発光デバイス１と同様の構成を有し、透光性部材からなるチップ５のサイズ（厚さ及び又は面積）をそれぞれ異ならせた３種類の発光デバイス１（実施例１〜３）と、比較例と同様にチップ５を備えていない発光デバイス（比較例）とを作成した。

実施例１〜３、及び比較例の全てにおいて同一仕様の発光ダイオード３を用いた。具体的には、発光ダイオード３は、表面及び裏面の面積（縦×横）が０．５９５ｍｍ×０．２７０ｍｍで、厚み（高さ）が０．１５ｍｍのサファイア基板１０に、ＧａＮ半導体層からなる発光層１１が形成されたものとした。サファイア基板１０とチップ５との接着は、吸光度が十分に小さい樹脂製の接着剤を用いて行った。

実施例１〜３で用いられたチップ５は、透光性部材としてソーダガラスをそれぞれ用いた。実施例１で用いられたチップ５は、表面及び裏面の面積（縦×横）が０．７ｍｍ×０．３ｍｍで、厚み（高さ）が０．１５ｍｍに形成した。実施例２で用いられたチップ５は、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．９ｍｍで、厚みが０．１５ｍｍに形成した。実施例３で用いられたチップ５は、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．９ｍｍで、厚みが０．５０ｍｍに形成した。

本実験では、各発光デバイス１から放射される全ての光の強度（パワー）の合計値を測定し（全放射束測定）、チップ５を用いない比較例を基準（１００％）とする輝度に換算した。測定結果（輝度）は、実施例１が１０９．２％、実施例２が１１１．５％、実施例３が１１８．０％であった。実施例１〜３のチップ５の材質、サイズ、輝度を表１に示す。

測定結果から理解できるように、発光ダイオード３の裏面側にチップ５を設ければ、光の取り出し効率を高めることができる。また、チップ５の第１主面５ａ及び第２主面５ｂの面積が大きくなれば、発光デバイス１の輝度が高まり、チップ５が厚くなれば、発光デバイス１の輝度が高まるという傾向を確認できた。チップ５は、厚みが厚い程、面積が大きい程、輝度の上昇が確認され、フリップチップ実装に影響のない範囲で面積及び又は厚みが大きく形成されるのが望ましい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、サファイア基板とＧａＮ系の半導体材料とを用いる発光ダイオード３を例示したが、結晶成長用基板としてＧａＮ基板を用いる等、結晶成長用基板及び半導体材料は実施の形態に限定されない。なお、加工性を高めるためには、サファイア基板等の結晶成長用基板を薄くすると良いが、結晶成長用基板は必ずしも薄くなくて良い。

また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光する半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた発光層１１を例示したが、発光層１１の構成はこれに限定されない。発光層１１は、少なくとも、電子と正孔との再結合により光を放出できるように構成されていれば良い。

また、チップ５の第２主面５ｂに細かい凹凸を少なくとも一部領域に形成したり、第２主面５ｂを荒らして梨地とする加工を行ったりしてもよく、これによっても輝度を向上することができる。

本発明は、フリップチップ実装された発光ダイオードにおける光の取り出し効率を高めるために有用である。

１ 発光デバイス
２ パッケージ
２ａ 実装面
３ 発光ダイオード
３ａ 発光ダイオードの表面
３ｂ 発光ダイオードの裏面
５ チップ
５ａ チップの第１主面
５ｂ チップの第２主面
７ 凹部
７ａ 内周面
８ａ，８ｂ 接続電極
１０ サファイア基板
１１ 発光層

Claims (2)

1. 発光層を表面に備え該表面がパッケージ実装面に支持固定される発光ダイオードの裏面に透光性を有する透光性部材からなるチップが接着されて形成されていること、を特徴とする発光デバイス。
2. 該発光ダイオードは、サファイア基板又はＧａＮ基板にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されて成ること、を特徴とする請求項１記載の発光デバイス。

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