JP5040863B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、青色発光の半導体発光素子と蛍光体を用いて白色光を発光させる半導体発光装置に関する。

青色発光の半導体発光素子と蛍光体を用いて白色光を発光させる半導体発光装置としては、例えば下記の特許文献１に記載されている半導体発光装置などが知られている。この従来装置は、主光取り出し面の樹脂層の厚みを相対的に大きくすることで、色むらのない発光を得ようとしたものである。

その他の一般的な従来の半導体発光装置の断面図を図８に示す。この半導体発光装置９００は、サファイア基板を有する青色発光の半導体発光素子２０をセラミックス製の支持基板１０の上にエポキシ樹脂からなる封止材３０で封止して構成したものであり、封止材３０には、青色光を黄色光に変換する蛍光体が含有されている。ここでは、半導体発光素子２０は、そのサファイア基板が上を向くようにフェイスダウンで封止されている。この様な半導体発光装置９００の場合、光軸から離れた周縁部の発光が黄色みがかることが一般に知られている。その状況を光学シミュレーションした結果を図９に示す。本図９の横軸は発光の出射方位を表しており、縦軸は光軸の色度を基準とした各方位の色度のｘ成分Ｃx の値を表している。このシミュレーション結果は、実測結果と非常によく一致するものであり、本グラフより、左右それぞれ６０°から８０°の辺りの色度が黄色側にシフトしていることが分かる。グラフ中の記号Δは、そのシフト幅の最大値を示している。

ただし、本光学シミュレーションは、以下のことを仮定して実施した。
（１）半導体発光素子２０の発光スペクトルのピーク波長 ４４６ｎｍ
（２）用いる蛍光体の発光スペクトルのピーク波長 ５６４ｎｍ
（３）半導体発光装置９００の各部の寸法（図８）
（ａ）半導体発光素子２０の横幅Ｗ１ １０００μｍ
（ｂ）半導体発光素子２０の高さＨ１ ３７５μｍ
（ｃ）封止材３０の天上部の厚さＨ２ ２００μｍ
（ｄ）封止材３０の側壁部の厚さＤ１ ２５０μｍ
（ｅ）支持基板１０の横幅Ｗ２ ３５００μｍ
（ｆ）支持基板１０の厚さＤ２ ４００μｍ

また、蛍光体の体積密度は、封止材３０中の到る所で一定と仮定した。また、半導体発光素子２０の発光強度の指向特性としては、図１に示すグラフ上の値を仮定した。図１の半円周上に示す角度は、サファイア基板の底面中央に立てた法線を基準として、その法線を含む面上で右回りに測った角度を示しており、光軸上で０°となる。以下、この角度のことを放射方位角と言い、その放射中心は発光層の中心とする。サファイア基板を有する半導体発光素子をフェイスダウンで発光させるとサファイア基板の周縁部に光が集まり易いため、通常は本図１に例示されるように、上記の放射方位角が約±４５°になる付近（即ち、左右４５°付近）に発光強度のピークが現れる。
特開２００７−３２４６３０

上記の様な黄色側への色度シフトの問題を解決するために、本願発明者らは、半導体発光装置に用いる封止材を二層構造にすることを思い付いた。図２にその積層構造を示す。この半導体発光装置８００は、半導体発光素子２０を直接封止する第１の封止材４０を蛍光体を含有しない透明な樹脂材で構成し、更にその外側から、蛍光体を含有する第２の封止材３０で第１の封止材４０を封止したものである。量産すべき封止材の形状は、その金型から封止材を抜き取り易くするために、随所にテーパ形状やＲ形状などを設けなくてはならないなどの制約が強い。しかしながら、封止材を二層構造にすることによって、蛍光体を含有させる第２の封止材３０の厚さに関する設計の自由度を簡単に向上させることができることに、本願発明者らは気付いたのである。

そこで、半導体発光装置８００に関する光学シミュレーションを実施した結果、その発光が光軸近傍を除く各部で幾らか青色がかって見えることが分った。その状況を図３に示す。図３においても図９と同様に、縦軸は光軸の色度を基準とした各方位の色度のｘ成分Ｃx の値を表している。このグラフより、左右それぞれ１０°から８０°の領域の色度が負の側、即ち青色側にシフトしていることが分かる。

ただし、本光学シミュレーションは、以下のことを仮定して実施した。
（１）半導体発光素子２０の発光スペクトルのピーク波長 ４４６ｎｍ
（２）用いる蛍光体の発光スペクトルのピーク波長 ５６４ｎｍ
（３）半導体発光装置８００の各部の寸法（図２）
（ａ）半導体発光素子２０の横幅Ｗ１ １０００μｍ
（ｂ）半導体発光素子２０の高さＨ１ ３７５μｍ
（ｃ）封止材３０の天上部の厚さＨ２ ２００μｍ
（ｄ）封止材４０の高さＨ３ ４７５μｍ
（ｅ）支持基板１０の横幅Ｗ２ ３５００μｍ
（ｆ）支持基板１０の厚さＤ２ ４００μｍ
（ｇ）封止材３０の周縁部の厚さＤ３ ５０μｍ
（ｈ）封止材４０の周縁部の厚さＤ４ ５０μｍ
（ｉ）封止材３０と封止材４０の
各立ち下がり位置間の距離Ｌ１ ２５０μｍ
また、半導体発光素子２０の発光強度の指向特性としては、半導体発光装置９００の場合と同様に図１に示すグラフ上の値を仮定した。また、蛍光体の体積密度は、第２の封止材３０中の到る所で一定と仮定した。

この図３のシミュレーション結果では、光軸を基準とした色度Ｃx のシフト幅の最大値Δの値が半導体発光装置９００の場合よりも０．００３だけ減少しており、色ムラに関する一定の改善が見られる。
しかしながら、この半導体発光装置８００においても、上記のシフト幅の最大値Δの値は、依然として０．０１５と大きく、色ムラに関する更なる改善が望まれる。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、サファイア基板を有する青色発光の半導体発光素子をフェイスダウンで封止した白色発光の半導体発光装置において、その発光の色ムラを極力低減させることである。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、結晶成長基板を有する青色発光の半導体発光素子を支持基板の上に封止して構成される半導体発光装置において、その支持基板の上に上記の半導体発光素子を封止する透明な第１の封止材と、蛍光体を含有して第１の封止材を外側から更に封止する第２の封止材とを備え、上記の半導体発光素子を結晶成長基板が上を向くようにフェイスダウンで封止し、第１の封止材に、半導体発光素子の上方に位置する第１の天上面と、支持基板に接する接合部において裾野が支持基板の支持面に沿って延びた第１の山際部と、第１の天上面と第１の山際部との間に位置し、斜めに傾いた側壁からなる第１のテーパ部と、第１の天上面と第１のテーパ部とを曲面で繋ぐ第１のＲ部とを設け、第２の封止材に、第１の天上面の上方に位置する第２の天上面と、支持基板に接する接合部において裾野が支持基板の支持面に沿って延びた第２の山際部と、第２の天上面と第２の山際部との間に位置し、斜めに傾いた側壁からなる第２のテーパ部と、第２の天上面と第２のテーパ部とを曲面で繋ぐ第２のＲ部とを設け、第２の天上面に、第１の天上面に向って凸の湾曲形状の凹部を設けることである。
ただし、第１の封止材と第２の封止材の各源材料としては、生産性及び密着性の観点より、同種の透明樹脂を用いることが望ましいが、しかしながら、これらは、必ずしも同種の材料から形成する必要はない。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、第１の天上面に、第２の天上面に向って凸の湾曲形状の凸部を設けることである。
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、支持基板の支持面に対する第２のテーパ部の傾斜角を、支持基板の支持面に対する第１のテーパ部の傾斜角よりも大きくすることである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、上記の第１の封止材の外形は、上記の第１の天上面と第１の山際部と第１のテーパ部と第１のＲ部から形成されるが、この形状は、この第１の封止材の金型を作製することを可能とする条件、即ち、封止材を金型から抜き取り易くするための条件を満たすものとなるので、所望の半導体発光装置を量産する上で非常に都合がよい。また、上記の第２の封止材の外形についても、上記の第２の天上面と第２の山際部と第２のテーパ部と第２のＲ部から形成されるが、この形状も、この第２の封止材の金型を作製することを可能とする条件を満たすので、所望の半導体発光装置を量産する上で非常に都合がよい。

更に、上記の第２の天上面は、第１の天上面に向って凸の湾曲形状の凹部を有するように形成されるので、蛍光体を含有する第２の封止材の光軸上の厚さは、他の部位に比べて相対的に薄くなる。一方、結晶成長基板を有する半導体発光素子をフェイスダウンで封止する場合、図１に例示した通り、放射方位角が±４５°付近の発光強度（即ち、より本質的には、発光層の中心から結晶成長基板の光放出面の稜線を通る線上付近の発光強度）に比べて、光軸上の発光強度は相対的に弱い。この結果、発光強度が強い部位の第２の封止材の厚さは相対的に厚くなり、発光強度が弱い部位の第２の封止材の厚さは相対的に薄くなる。即ち、第２の封止材に含まれる蛍光体は第２の封止材を通過する光量に応じて分配・配置される。したがって、蛍光体によって波長変換される光の量が、発光装置の各部の発光強度に応じて分配される。このため、本発明の半導体発光装置においては、従来よりも色ムラが低減され、また、量産にも好適な構造が得られる。

また、本発明の第２の手段によれば、上記の第１の天上面は、第２の天上面に向って凸の湾曲形状の凸部を有するように形成されるので、光軸上においては、この膨らみの分だけ、その上に積層される第２の封止材の厚さを薄く設定することができる。したがって、この様な設定によっても、発光強度が強い部位の第２の封止材の厚さは相対的に厚くなり、発光強度が弱い部位の第２の封止材の厚さは相対的に薄くなる。このため、上記の第２の手段によっても、従来よりも色ムラが低減され、また、量産にも好適な構造が得られる。

また、本発明の第３の手段によれば、第２の封止材の側壁部分（テーパ部と山際部）の厚さを支持基板の支持面に近付くほど薄くできるので、放射方位角が−９０°から−６０°付近及び６０°から９０°付近である半導体発光素子の側方の発光強度が弱い領域程、蛍光体の分布量を少なく設定することができる。したがって、この様な設定によっても、発光強度が強い部位の第２の封止材の厚さは、その他の部位の厚さよりも相対的に厚くなり、発光強度が弱い部位の第２の封止材の厚さは相対的に薄くなる。このため、上記の第３の手段によっても、従来よりも色ムラが低減され、また、量産にも好適な構造が得られる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図４に本実施例１の半導体発光装置１００の断面図を示す。この半導体発光装置１００は、サファイア基板を有する青色発光の半導体発光素子２０をセラミックス製の支持基板１０の上に封止して構成したものであり、半導体発光素子２０を直接支持基板１０の上に封止する第１の封止材４０は、透明なシリコーン樹脂から形成されている。また、この第１の封止材４０を外側から更に封止する第２の封止材３０は、青色光を黄色光に変換する周知のＹＡＧ蛍光体を均一に含有する透明なシリコーン樹脂から形成したものである。半導体発光素子２０は、サファイア基板の上に III族窒化物系化合物半導体を結晶成長により積層して製造したものであり、本半導体発光装置１００においては、そのサファイア基板が上を向くようにフェイスダウンで封止されている。

上記の第１の封止材４０は、支持基板１０に接する接合部において裾野が支持基板の支持面に沿って延びた第１の山際部４１を有し、その山際部４１から上方には、傾斜角８２．４５°で斜めに傾いた側壁からなる第１のテーパ部４２が延びている。ただし、この傾斜角は、支持基板の支持面から測った角度の内の大きくない方の角度で定義する。第１の封止材４０の第１のＲ部４４は、第１の封止材４０の平頂な上面である第１の天上面４３と第１のテーパ部４２とを曲面で繋いでいる。第１の封止材４０は、この様な形状で半導体発光素子２０を支持基板１０の上面に封止している。

この第１の封止材４０は、第２の封止材３０によって外側から更に封止されているため、第２の封止材３０の外形は、第１の封止材４０の外形に略沿って形成されている。即ち、第２の封止材３０は、支持基板１０に接する接合部において裾野が支持基板の支持面に沿って延びた第２の山際部３１を備え、その山際部３１からは、傾斜角８５°で斜めに傾いた側壁からなる第２のテーパ部３２が延びている。したがって、第２のテーパ部３２の傾斜角は、第１のテーパ部４２の傾斜角よりも大きく、このため、第２の封止材３０の厚さは、第２のＲ部から第２の山際部に向うにつれて薄くなっている。また、第２の封止材３０の上面である第２の天上面３３は、第１の天上面に向って凸の湾曲形状の凹部から形成されており、これによって、第２の封止材３０の天上部分には横幅Ｗ３深さｄ１の窪みが形成されている。そして、第２の封止材３０の第２のＲ部３４は、この第２の天上面３３と第２のテーパ部３２とを曲面で繋いでいる。

この半導体発光装置１００に係わる光学シミュレーションの結果を図５のグラフに示す。このグラフの横軸は、放射方位角が−８０°から＋８０°まで（左８０°から右８０°まで）の発光の方位を示しており、縦軸は、光軸上（方位角０°）の発光の色度を基準（０．００）とした各方位の色度のｘ成分Ｃx の相対値（シフト量）を示している。また、記号Δは全方位に渡るそのシフト幅の最大値を示している。このグラフから、本半導体発光装置１００については、放射方位角が−７０°から−１０°までの間の領域、及び放射方位角が１０°から７０°までの間の領域において、色度に係わる若干の青色シフトが見られることが分かる。しかし、その色度のシフト幅は最大でも０．００９と十分に小さい。また、青色は黄色よりも視感度が低いため、この青色側へのシフト量が示す色ムラは比較的認識されにくい。このことから、本実施例１の半導体発光装置１００の構成に従えば、発光の色ムラが十分に抑制された白色発光の発光装置を製造できることが分かる。

この様に色ムラが効果的に減少した理由は、上記の構成に基づいて、第２のＲ部３４における第２の封止材３０の厚さを、第２の封止材３０のその他の部位の厚さよりも相対的に厚くすることによって、図１の発光強度の指向特性に合致した量の波長変換が行われたためだと考えられる。即ち、半導体発光素子２０は、サファイア基板を上側に向けてフェイスダウンで封止されているために、放射方位角が±４５°付近の発光強度が強い、即ち、第２のＲ部３４を貫く方向の光束密度が高いが、この発光強度に合わせて、位置が対応する第２のＲ部３４における第２の封止材３０の厚さが厚くなったことから、発光ムラが抑制されたものと思われる。

ただし、半導体発光装置１００に係わる以上の光学シミュレーションは、以下のことを仮定して実施したものである。
（１）半導体発光素子２０の発光スペクトルのピーク波長 ４４６ｎｍ
（２）用いる蛍光体の発光スペクトルのピーク波長 ５６４ｎｍ
（３）半導体発光装置１００の各部の寸法（図４）
（ａ）半導体発光素子２０の横幅 １０００μｍ
（ｂ）半導体発光素子２０の高さ ３７５μｍ
（ｃ）封止材３０の天上部の厚さＨ２ ２５０μｍ
（ｄ）封止材４０の高さＨ３ ４７５μｍ
（ｅ）支持基板１０の横幅Ｗ２ ３５００μｍ
（ｆ）支持基板１０の厚さＤ２ ４００μｍ
（ｇ）封止材３０の周縁部の厚さＤ３ ５０μｍ
（ｈ）封止材４０の周縁部の厚さＤ４ ５０μｍ
（ｉ）封止材３０と封止材４０の
各立ち下がり位置間の距離Ｌ１ ２５０μｍ
（ｊ）天上面３３の窪みの深さｄ１ ９０μｍ
（ｋ）天上面３３の窪みの幅Ｗ３ １２００μｍ
（ｌ）天上面３３の曲率半径 １９９３μｍ
また、半導体発光素子２０の発光強度の指向特性としては、半導体発光装置８００の場合と同様に図１に示すグラフ上の値を仮定した。即ち、半導体発光素子２０は、放射方位角が±４５°付近に発光強度のピークを有する指向特性を有するものとした。また、蛍光体の体積密度は、第２の封止材３０中の到る所で一定と仮定した。

なお、第１のテーパ部４２の望ましい傾斜角の角度が小さ過ぎると、広範にわたって青色側への色度シフトが顕著となり易い。また、この角度が大き過ぎると、第２の山際部３１付近の第２の封止材３０の厚さを薄くすることが難しくなる。
また、第２のテーパ部３２の傾斜角は、第１のテーパ部４２の傾斜角よりも、大きく設定することが望ましい。この角度差が大き過ぎると、第２の封止材３０の金型からの抜き取りが難しくなる。また、この値が小さ過ぎると、第２の山際部３１付近の第２の封止材３０の厚さを薄くすることが難しくなる。

また、天上面３３の窪みの深さｄ１の値が小さ過ぎると、本発明の作用・効果が得難くなる。また、この値が大き過ぎると、光軸付近の色度が青色側へシフトし易くなる。この適正範囲を守ることにより、第２の天上面３３の窪みの深さｄ１の適正範囲を守ることができる。

なお、第１の封止材４０の山際部４１と第２の封止材３０の山際部３１の各形状は、いずれも支持基板１０との接合面積を拡大するように寄与しているので、半導体発光装置１００のこれらの封止材は、支持基板１０からいずれも剥がれ難いという特長を有している。また、第１の封止材４０と第２の封止材３０とで同一の樹脂材料を用いることによっても、これらが互いに剥がれ難くなることに寄与している。

図６に本実施例２の半導体発光装置２００の断面図を示す。この半導体発光装置２００は、実施例１の半導体発光装置１００と酷似の構造を有するものであり、第１の封止材４０が備える第１の天上面４３の形状以外については、各部とも形状及び寸法はいずれも同じである。半導体発光装置２００の第１の天上面４３は、第２の天上面３３に向って凸の湾曲形状の凸部を有して形成されており、この膨らみの中央の最高点は、先の実施例１の半導体発光装置１００の第１の天上面４３の高さよりもｈ１＝５０μｍだけ高く設定されている。また、第１の天上面４３の凸部の曲率半径は、１８２９μｍである。
なお、この凸部の高さｈ１が高過ぎると光軸上の発光が青色側にシフトして望ましくない。

上記の半導体発光装置２００に係わる光学シミュレーションの結果を図７のグラフに示す。本光学シミュレーションは、上記の第１の天上面４３の形状以外については、先の実施例１と同一の仮定条件の下に実施したものである。図７のグラフの横軸は、放射方位角が−８０°から＋８０°までの発光の方位角を示しており、縦軸は、光軸上（方位角０°）の発光の色度を基準（０．００）とした各方位の色度のｘ成分Ｃx の相対値（シフト量）を示している。また、記号Δは全方位に渡るそのシフト幅の最大値を示している。このグラフから、本半導体発光装置２００については、放射方位角が−６０°から−２０°までの間、及び放射方位角が２０°から６０°までの間の領域において、色度に係わる若干の青色シフトが見られることが分かる。しかし、その色度のシフト幅は最大でも０．００９と十分に小さい。このことから、本実施例２の半導体発光装置２００の構成に従っても、発光の色ムラが十分に抑制された白色発光の発光装置を製造できることが分かる。

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。

（変形例１）
例えば、上記の各実施例では、支持基板１０をセラミックス製としたが、支持基板１０の材料は任意でよく、例えば樹脂基板の表面に金属被膜を成膜した板材から形成してもよい。また、上記の各実施例では、第１の封止材４０や第２の封止材３０をシリコーン樹脂から形成したが、これらの封止材には、透明な任意の樹脂材料を用いることができる。

フェイスダウンの半導体発光素子の発光強度の指向特性を例示するグラフ 半導体発光装置８００の断面図 半導体発光装置８００に係わる光学シミュレーションの結果を示すグラフ 実施例１の半導体発光装置１００の断面図 半導体発光装置１００に係わる光学シミュレーションの結果を示すグラフ 実施例２の半導体発光装置２００の断面図 半導体発光装置２００に係わる光学シミュレーションの結果を示すグラフ 従来の半導体発光装置９００の断面図 半導体発光装置９００に係わる光学シミュレーションの結果を示すグラフ

符号の説明

１００ ： 半導体発光装置
１０ ： 支持基板
２０ ： 半導体発光素子
３０ ： 第２の封止材
３１ ： 第２の山際部
３２ ： 第２のテーパ部
３３ ： 第２の天上面
３４ ： 第２のＲ部
４０ ： 第１の封止材
４１ ： 第１の山際部
４２ ： 第１のテーパ部
４３ ： 第１の天上面
４４ ： 第１のＲ部

Claims (3)

1. 結晶成長基板を有する青色発光の半導体発光素子を支持基板の上に封止して構成される半導体発光装置において、
   前記支持基板の上に前記半導体発光素子を封止する透明な第１の封止材と、
   蛍光体を含有して前記第１の封止材を外側から更に封止する第２の封止材とを有し、
   前記半導体発光素子は、前記結晶成長基板が上を向くようにフェイスダウンで封止されており、
   前記第１の封止材は、
   前記半導体発光素子の上方に位置する第１の天上面と、
   前記支持基板に接する接合部において裾野が前記支持基板の支持面に沿って延びた第１の山際部と、
   前記第１の天上面と前記第１の山際部との間に位置し、斜めに傾いた側壁からなる第１のテーパ部と、
   前記第１の天上面と前記第１のテーパ部とを曲面で繋ぐ第１のＲ部とを有し、
   前記第２の封止材は、
   前記第１の天上面の上方に位置する第２の天上面と、
   前記支持基板に接する接合部において裾野が前記支持基板の支持面に沿って延びた第２の山際部と、
   前記第２の天上面と前記第２の山際部との間に位置し、斜めに傾いた側壁からなる第２のテーパ部と、
   前記第２の天上面と前記第２のテーパ部とを曲面で繋ぐ第２のＲ部とを有し、
   前記第２の天上面は、前記第１の天上面に向って凸の湾曲形状の凹部を有する
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第１の天上面は、前記第２の天上面に向って凸の湾曲形状の凸部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記支持基板の支持面に対する前記第２のテーパ部の傾斜角は、前記支持基板の支持面に対する前記第１のテーパ部の傾斜角よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。

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