JP4590905B2 - 発光素子および発光装置 - Google Patents
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(1)膜厚の光学距離(光路長と媒質の屈折率との積)が発光波長の1/4、あるいは[(2m+1)/4:mは整数]倍であれば、GaN系化合物半導体からSnO2膜に至った光のうち、垂直入射光は、エポキシ樹脂とSnO2膜界面で反射された光との位相差が、GaN系化合物半導体から、SnO2膜に至った光のうち、界面反射光を減じ、界面透過光を増す関係にあるので、外部光取り出し効率は向上する。同様に、SnO2膜での光学距離(GaN系化合物半導体からSnO2膜へ入射し、エポキシ樹脂とSnO2膜界面で反射され、SnO2膜とGaN系化合物半導体へ戻る光の光学距離)が波長の1/4あるいは[(2m+1)/4:mは整数]倍になる角度で入射する光も、界面反射光を減じ、界面透過光を増す関係にあるので、外部光取り出し効率は向上する。しかし、この特定の方向へ界面入射する光は、mが大きな値をとらない薄膜において、発光層で発光する光全体に対し、一部である。
(発光装置1の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子を用いた発光装置であり、(a)は縦断面図、(b)は発光素子の部分拡大図である。この発光装置1は、Al2O3(サファイア)基板20の光取り出し面にAl2O3多孔質部20Aを有するGaN系LED素子2と、LED素子2の電極とAuからなるバンプ3Aおよび3Bを介して電気的に接続されるサブマウント部4と、サブマウント部4をリード部6Aに設けられるカップ6a内に固定するとともに電気的に接続するAgペースト5と、リード部6Bとサブマウント部4とを電気的に接続するAuからなるワイヤ7と、LED素子2を収容した素子収容部6Cをエポキシ樹脂等の封止樹脂で封止して形成される素子封止部8と、リード部6A、6B、素子収容部6C、およびワイヤ7をエポキシ樹脂で一体的に覆って砲弾状に形成される封止部材9とを有する。
LED素子2は、(b)に示すように、Al2O3多孔質部20Aと、サファイア基板20と、AlNバッファ層21と、n型GaNクラッド層22と、発光する層を有する多層23と、p型AlGaNクラッド層24と、p型GaNコンタクト層25と、n側電極26と、p側電極27とを有し、AlNバッファ層21、n型GaNクラッド層22、多層23、p型AlGaNクラッド層24、およびp型GaNコンタクト層25はGaNを結晶成長させることによってGaN系半導体層113を形成している。このLED素子2は発光波長460nmの青色系で発光する。
LED素子2を製造するには、まず、ウエハー状のサファイア基板20を用意し、AlNバッファ層21、n型GaNクラッド層22、発光する層を有する多層23、p型AlGaNクラッド層24、p型GaNコンタクト層25、n電極26、およびp側電極27を公知の方法で形成する。次に、GaN系半導体層113が形成された面と反対側のサファイア基板20の面にAlアルコキシドを塗布する。塗布方法としては、一般に用いられるディップ法、あるいはスピンコート法を用いることができる。次に、サファイア基板20を加熱処理してAlアルコキシドを熱分解することによりサファイア基板20の表面にAl2O3多孔質部20Aを形成する。Al2O3多孔質部20Aは、微小な凹凸や空隙が不規則に配置された薄膜状の構成を有している。次に、上記した半導体層およびAl2O3多孔質部20Aを設けられたサファイア基板20を所定のサイズ(例えば、1×1mm)にダイシングしてLED素子2とする。
リード部6Aおよび6Bを図示しない電源部に接続して電圧を印加すると、LED素子2は多層23内で面状に発光して波長460nmの青色光を発する。青色光は、多層23からn型GaNクラッド層22、AlNバッファ層21を経てAl2O3多孔質部20Aに入射する。ここで、臨界角の範囲より小なる角度の青色光は、Al2O3多孔質部20Aをそのまま通過して外部放射される。また、臨界角より大なる角度の青色光の一部は、Al2O3多孔質部20Aで散乱することによって外部放射される。
第1の実施の形態によると、サファイア基板20の光取り出し面にAl2O3多孔質部20Aを設けることによって、臨界角の範囲より小なる角度の光については透過を阻害することなく、かつ、臨界角より大なる角度の光であっても一部を外部放射できるようにしたため、素子内部での吸収によって減衰する光を低減でき、そのことによって外部放射効率を向上させることができる。すなわち、図2に示すθ2からθ3の範囲の光についても、Al2O3多孔質部20Aによって外部へ放射させることが可能になる。
(LED素子2の構成)
図3は、第2の実施の形態に係る発光素子の側面図である。このLED素子2は、第1の実施の形態で説明したサファイア基板20に代えてGaN基板28(屈折率:n=2.4)を用いているとともに、Al2O3多孔質部に代えてTiO2多孔質部28A(屈折率:n=2.6)を設けた構成が相違している。すなわち、基板の光取り出し面に高屈折率を有する調整物を設けて基板内部から外部への光取り出し性を高めている。なお、第1の実施の形態と同一の部分については共通の引用数字を付している。
上記した第2の実施の形態によると、GaN基板28を用いたことによって多層23内で生じた光がGaN基板28との界面で反射されることがない。また、GaN基板28の光取り出し面側にGaN基板28より屈折率の大なるTiO2多孔質部28Aを設けているため、GaN基板28との界面で反射を生じることなくTiO2多孔質部28Aへ光を入射させることができ、その結果、外部放射効率が向上する。
(LED素子2の構成)
図4は、第3の実施の形態に係るLED素子の部分拡大図である。第3の実施の形態では、第2の実施の形態で説明したTiO2多孔質部28Aに代えて光透過性を有するTiO2粒子28aと、TiO2粒子28aを覆うTiO2コート層28bとを有するTiO2部28Bを設けた構成が相違している。すなわち、TiO2粒子28aは光透過性粒子として機能し、発光波長に対して透過性を有するTiO2コート層28bを凹凸状に形成するとともにTiO2コート層28bに入射した光を拡散する。
上記した第3の実施の形態によると、第2の実施の形態の好ましい効果に加えてTiO2粒子28aの混入によってTiO2部28Bの表面積が拡大される。また、TiO2粒子28aはTiO2部28Bに入射した光を拡散させるため、外部放射効率が向上する。また、第3の実施の形態のLED素子2がエポキシ樹脂によって封止されても、屈折率が2.4より大である材料で粗面が形成されるので、有意な光取り出し効率の向上を図ることができる。
(LED素子2の構成)
図5は、第4の実施の形態に係るLED素子の部分拡大図である。第4の実施の形態では、第3の実施の形態で説明したTiO2部28Bに蛍光体28cを含有させた構成が相違している。
上記した第4の実施の形態によると、第2および第3の実施の形態の好ましい効果に加えて蛍光体28cの表面全体から励起光が放射されるようになる。また、TiO2コート層28bが蛍光体28cを包囲することによってTiO2部28Bの表面積が拡大される。また、拡大された光放射面から黄色励起光と青色光が密に放射されることにより、波長変換性が向上し、高輝度色白色発光素子を具現化できる。
(発光装置1の構成)
図7は、第5の実施の形態に係るLED素子を用いた発光装置であり、(a)は断面図、(b)はLED素子の側面図である。この発光装置1は、GaN系半導体化合物からなるフェイスアップ型のLED素子10と、LED素子10と電気的に接続されるCuからなるリード部材11A,11Bと、LED素子10とリード部材11A,11Bとを接続するAuからなるワイヤ12と、LED素子10、リード部材11A,11B、およびワイヤ12を一体的に封止するエポキシ樹脂(n=1.5)からなる封止部材13とを有する。
LED素子10は、図7(b)に示されるように、サファイア基板101と、AlNバッファ層102と、n型GaNクラッド層103と、発光層を有する多層104と、p型AlGaNクラッド層105と、p型GaNコンタクト層106と、Auからなる薄膜電極107と、薄膜電極107に接続されるパッド電極108と、n型GaNクラッド層103に接続されるn側電極109と、パッド電極108およびn側電極109を除くLED素子10の上面および側面に設けられる保護膜110と、上面および側面に設けられるTiO2ビーズ111Aを含むTiO2コート111とを有し、サファイア基板101上にAlNバッファ層102、n型GaNクラッド層103、多層104、p型AlGaNクラッド層105、およびp型GaNコンタクト層106を結晶成長させることによってGaN系半導体層113を形成している。このLED素子10のチップサイズは1×1mmのラージサイズであるが、例えば、0.3×0.3mmのLED素子10を用いることもできる。
まず、サファイア基板上にAlNバッファ層102、n型GaNクラッド層103、多層104、p型AlGaNクラッド層105、p型GaNコンタクト層106を公知の装置および方法により積層して形成する。次に、n側電極109の形成に必要な領域を確保するためにp型GaNコンタクト層106からn型GaNクラッド層103にかけてをエッチングする。次に、p型GaNコンタクト層106の表面に薄膜電極107を形成する。次に、パッド電極108を薄膜電極107の表面に形成し、n型GaNクラッド層103の表面にn側電極109を形成する。次に、パッド電極108およびn側電極109の形成部を除く表面にスパッタリングに基づいてTiO2の保護膜110を形成する。次に、ダイサーで全体を所望のサイズにダイシングしてLED素子10とする。
まず、予め定めた形状に成形されたリード部材11A,11Bを有するリードフレーム(図示せず)を用意し、リード部材11BにAgペーストで上記したLED素子10を固定する。次に、リード部材11AとLED素子10のパッド電極108、およびリード部材11BとLED素子10のn側電極109とをワイヤ12で電気的に接続する。次に、LED素子10の上面および側面となる部分にTiO2ビーズ111Aを含むTiアルコキシドを塗布して400℃の熱処理を行うことによりTiO2コート111を形成する。このTiO2コート111は熱処理に基づいて多孔質状に形成される。次に、リード部材11AとLED素子10を搭載されたリード部材11Bに対して図示しない金型を用いた樹脂封止を行うことにより、エポキシ樹脂からなる封止部材13を一体的に形成する。この封止部材13は、金型の形状に応じたドーム形状部がLED素子10の光放射面側に形成される。なお、このような樹脂封止はトランスファモールド法によって実現できる。次に、リードフレームからリード部材11A,11Bを切り離す。
リード部材11A,11Bに図示しない電源部から電力を供給すると、LED素子10の多層104から光が発せられる。多層104で生じた光のうち、サファイア基板101側に向かう光はサファイア基板101とAlNバッファ層102との界面、あるいはサファイア基板101の底面で反射される。また、光放射面側に向かう光は薄膜電極107を透過して保護膜110に入射し、更にTiO2コート111に入射する。TiO2コート111に入射した光は、TiO2ビーズ111Aによって散乱することにより封止部材13に入射し、封止部材13から外部放射される。また、多層104内で反射を繰り返す光については、保護膜110が設けられる側面において保護膜110に入射し、保護膜110から封止部材13に入射し、封止部材13から外部放射される。
上記した第1の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)LED素子10の上面および側面にLED素子10を構成するGaN系半導体層113の屈折率と同等以上の屈折率を有する保護膜110を設けているため、多層104内で生じた光が界面反射を生じることなく保護膜110に入射でき、そのことによってGaN系半導体層113内に留まる光を低減できる。従来のLED素子で電極間を絶縁するために設けられるSiO2からなる保護膜では、屈折率nが1.5と半導体層の屈折率より小であり、LED素子の外部に取り出せる光が小になるが、本実施の形態では、LED素子の内部発光効率が同等であったとしても界面反射等の内部損失を生じることなく保護膜110に光が達するようになり、そのことによって外部放射効率を高める手段を形成することができる。
(LED素子10の構成)
図8は、第6の実施の形態に係るLED素子の側面図である。このLED素子10は、第5の実施の形態で説明した保護膜110上に蛍光体粒子112Aを含むTiO2コート112を設けた波長変換型の構成を有する。以下の説明において、第5の実施の形態と同一の構成を有する部分については共通の引用数字を付して説明している。
上記した第6の実施の形態によると、第5の実施の形態の好ましい効果に加えて、光取り出し面に蛍光体粒子112Aを設けているので、蛍光体粒子112Aの表面全体から励起光が放射されるようになる。また、TiO2コート112が蛍光体粒子112Aを包囲することによって表面積が拡大される。また、拡大された上面および側面から黄色励起光と青色光が密に放射されることにより、波長変換性が向上し、高輝度色白色発光素子を具現化できる。
(発光装置1の構成)
図9は、第7の実施の形態に係るLED素子を用いた発光装置であり、(a)は断面図、(b)はLED素子における光の放射を示す図である。この発光装置1は、第5の実施の形態で説明した発光装置1の封止部材13に代えて高屈折率のガラス材(加工温度450℃、n=1.9)からなるガラス封止部材14をに設けるとともに、第5の実施の形態で説明したTiO2コート111を省いたLED素子10を用いた構成を有する。
上記した第7の実施の形態によると、光取り出し面に保護膜110を設けたLED素子10をガラス封止部材14で封止しているため、耐光性や耐熱性に優れた発光装置1が得られる。また、GaN半導体層113から放射される光は薄膜電極107との界面で反射されることなく保護膜110とガラス封止部材14との界面に達するようになり、臨界角θc=52度の範囲にある光についてはガラス封止部材14を介して外部放射されるので、光取り出し効率が向上する。
(発光装置1の構成)
図10は、第8の実施の形態に係るLED素子を示し、(a)は側面図、(b)は(a)のb方向に見たLED素子10の表面を示す図である。このLED素子10は、第5の実施の形態で説明した薄膜電極107の上にSiN(n=1.8)系材料からなる保護膜110と、熱硬化性樹脂(n=2.1)からなる樹脂膜120を有する。以下の説明において、第5の実施の形態と同一の構成を有する部分については共通の引用数字を付して説明している。
まず、パッド電極108およびn側電極109の形成部にマスク処理を施す。次に、マスク部を除く保護膜110の表面に上記した熱硬化性樹脂からなる厚さ100μmのフィルム状材料を貼り付ける。次に、凹凸パターンが形成された金型をフィルム状材料の貼り付け部分に位置させてプレスすることにより、フィルム状材料の表面に100μmの溝を型成形する。次に、LED素子10全体に対して175℃の温度条件で熱処理を行い、フィルム状材料を硬化させることによって樹脂膜120を形成する。次に、電極部分に設けられているマスク部をエッチングによって除去する。
上記した第8の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)保護膜110の表面に保護膜110の屈折率より大で、GaN系半導体層113に近似した屈折率を有するフィルム状材料の樹脂膜120を設けたため、多層104から放射される光は薄膜電極107との界面で反射されることなくガラス封止部材14との界面に達し、ガラス封止部材14に入射して外部放射されるので、光取り出し効率が向上する。
(LED素子10の構成)
図11は、第9の実施の形態に係るLED素子を示す側面図である。このLED素子10は、第8の実施の形態で説明したSiN(n=1.8)系材料からなる保護膜110と樹脂膜120との間に熱硬化性樹脂(n=2.1)に蛍光体を含有した樹脂膜121を設けた波長変換型のLED素子である構成について第8の実施の形態と相違している。
まず、パッド電極108およびn側電極109の形成部にマスク処理を施す。次に、マスク部を除く保護膜110の表面に上記した熱硬化性樹脂からなる厚さ100μmの蛍光体含有材料を貼り付ける。次に、蛍光体含有材料上に熱硬化性樹脂からなる厚さ100μmのフィルム状材料を貼り付ける。次に、凹凸パターンが形成された金型をフィルム貼り付け部分に位置させてプレスすることにより、フィルム状材料の表面に100μmの溝を型成形する。次に、LED素子10全体に対して175℃の温度条件で熱処理を行い、蛍光体含有材料およびフィルム状材料を硬化させることによって樹脂膜120、121を形成する。次に、電極部分に設けられているマスク部をエッチングによって除去する。
上記した第9の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)第8の実施の形態の好ましい効果に加えて、GaN系半導体層113に近似した屈折率を有する部材に蛍光体を含有した樹脂膜121を有するので、GaN半導体層113と樹脂膜121との界面における反射を小にしながら蛍光体にむらなく光を照射することができ、蛍光体の励起を促進して青色光との混合に基づく白色光の色むらを低減できる。
(LED素子2の構成)
図12は、第10の実施の形態に係るLED素子を示す側面図である。このLED素子2は、第1の実施の形態で説明したLED素子2のサファイア基板20に設けられるAl2O3多孔質部20Aに代えて、第8の実施の形態で説明した熱硬化性樹脂(n=2.1)からなる樹脂膜120を有する。以下の説明において、第1の実施の形態と同一の構成を有する部分については共通の引用数字を付して説明している。
LED素子2を製造するには、まず、ウエハー状のサファイア基板20を用意し、AlNバッファ層21、n型GaNクラッド層22、発光する層を有する多層23、p型AlGaNクラッド層24、p型GaNコンタクト層25、n電極26、およびp電極27を公知の方法で形成する。次に、GaN系半導体層30が形成された面と反対側のサファイア基板20の面に熱硬化性樹脂からなる厚さ100μmのフィルム状材料を貼り付ける。次に、凹凸パターンが形成された金型をフィルム状材料の貼り付け部分に位置させてプレスすることにより、フィルム状材料の表面に100μmの溝を型成形する。次に、LED素子2全体に対して175℃の温度条件で熱処理を行い、フィルム状材料を硬化させることによって樹脂膜120を形成する。次に、上記した半導体層および樹脂膜120を設けられたサファイア基板20を所定のサイズ(例えば、1×1mm)にダイシングしてLED素子2とする。
上記した第10の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)サファイア基板20より大なる屈折率を有し、熱硬化性樹脂からなる薄膜状の樹脂膜120をサファイア基板20の表面に設けたので、GaN系半導体層30の多層23から放射される光を凹凸部120Aで拡散して封止部材9に入射させることができる。
(LED素子2の構成)
図13は、第11の実施の形態に係るLED素子を示す側面図である。このLED素子2は、第10の実施の形態で説明したLED素子2のサファイア基板20に代えてGaN基板(n=2.4)28を有する構成において第10の実施の形態と相違している。
上記した第11の実施の形態によると、GaN基板28を用いたLED素子2においてはGaN系半導体層30から放射された光がGaNとサファイアとの屈折率差に起因する界面反射を生じることなくGaN基板28の表面に達する。樹脂膜120は、凹凸部120AでGaN基板28の表面に導かれた光を拡散させて封止部材9に放射するので、LED素子2の光取り出し性が向上する。
(LED素子2の構成)
図14は、第12の実施の形態に係るLED素子を示す側面図である。このLED素子2は、第10の実施の形態で説明したLED素子2のサファイア基板20を除去し、GaN系半導体層30の表面に凹凸部120Aを有する樹脂膜120を設けた構成において第10の実施の形態と相違している。
上記した第11の実施の形態によると、サファイア基板20を除去することでLED素子2の薄型化を図れるとともに多層23から樹脂膜120にかけての光吸収や光損失を防ぐことができる。
5、Agペースト 6A、6B、リード部 6C、素子収容部
6a、カップ 7、ワイヤ 7A、ワイヤ接合部 8、素子封止部
9、封止部材 10、LED素子 11A,11B、リード部材
12、ワイヤ 13、封止部材 14、ガラス封止部材
20、サファイア基板 20A、Al2O3多孔質部
22、n型GaNクラッド層 23、多層
24、p型AlGaNクラッド層 25、p型GaNコンタクト層
26、n側電極 27、p側電極 28b、TiO2コート層
28、GaN基板 28A、TiO2多孔質部 28a、TiO2粒子
28c、蛍光体 28B、TiO2部 30、GaN系半導体層
41、n電極 42、p型半導体層 43、p電極
44、n電極 45、n型半導体層 101、サファイア基板
102、AlNバッファ層 103、n型GaNクラッド層
104、多層 105、p型AlGaNクラッド層
106、p型GaNコンタクト層 107、薄膜電極
108、パッド電極 109、n側電極
110、保護膜 111、TiO2コート 111A、TiO2ビーズ
112、TiO2コート 112A、蛍光体粒子
113、GaN系半導体層 120A、凹凸部 120、樹脂膜
121、樹脂膜 122、薄膜 200、チップ
201、サファイア基板 201a,201b、凹凸面
202、GaNバッファ層 203、n型半導体層
204、p型半導体層 205、p側電極
206、n側電極 210、実装基板 230a,230b、バンプ
Claims (5)
- 半導体によって形成された発光層を有するフリップチップ型の発光素子において、
前記発光層以上の屈折率を有し、前記発光層で発した光を散乱して外部放射効率を高める拡散層を有し、
前記発光層を含む半導体層と前記拡散層との間に、前記半導体層より小なる屈折率の層が介されておらず、
前記拡散層は、前記発光層以上の屈折率を有するコート層と、前記コート層に包囲され光散乱性を有する粒子状の蛍光体と、ビーズ状の光透過性粒子と、を有し、前記光透過性粒子の径に対し前記コート層の厚さを薄くして前記コート層の表面が凹凸状に形成されており、前記蛍光体粒子を包囲する前記コート層に入射した光が、前記蛍光体粒子の周囲に光を閉じ込められて多次反射し、前記蛍光体粒子の励起が前記拡散層の全面で効率良く行われることを特徴とする発光素子。 - 前記半導体層を保護するための透明の保護層を備え、
前記保護層は、前記半導体層以上の屈折率を有することを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 - 前記発光層へ電力を供給するための電極を備え、
前記保護層は、光放射面の対辺近傍に設けられる前記電極との間を覆って設けられることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。 - 前記半導体層は、GaN系半導体によって形成され、
前記コート層は、TiO2によって形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の発光素子。 - 前記半導体層が形成されるGaN基板を備え、
前記半導体層は、GaN系半導体によって形成され、
前記拡散層は、前記GaN基板の光取り出し面に形成される請求項1に記載の発光素子。
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