JPH11214752A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPH11214752A
JPH11214752A JP938698A JP938698A JPH11214752A JP H11214752 A JPH11214752 A JP H11214752A JP 938698 A JP938698 A JP 938698A JP 938698 A JP938698 A JP 938698A JP H11214752 A JPH11214752 A JP H11214752A
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light emitting
light
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resin
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Toshihide Maeda
俊秀 前田
Kunihiko Obara
邦彦 小原
Kazuya Yamaguchi
和也 山口
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Matsushita Electronics Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子を樹脂封止するに際して発光素子か
らの発光が透過方向に対して全反射する割合を小さく抑
えて発光輝度を向上させる。 【解決手段】 発光素子４を搭載して電気的に導通させ
る搭載導通部材として備えるリードフレーム１と、これ
らの発光素子４及びリードフレーム１の一部を被覆し且
つ発光素子４よりも小さな屈折率の封止樹脂６とを備
え、発光素子４と封止樹脂６のそれぞれの屈折率の間の
値の屈折率を持つ屈折率緩衝用樹脂層７を、少なくとも
発光素子４の光取出し面を被覆して封止樹脂６に内在さ
せ、発光素子４から封止樹脂６の外郭面までの光路にお
ける各層の境界面でのそれぞれの全反射率を低減させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＥＤチップを発
光素子としてこれを樹脂によって封止した半導体発光装
置に係り、特にＬＥＤチップから封止樹脂を抜ける発光
の透過性を向上させて高発光輝度を得る半導体発光装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】結晶基板の上に成長させた半導体薄膜層
によりｐ−ｎ接合を形成し、この接合域を発光層とする
ＬＥＤチップを備えた半導体発光装置が、各種の光学デ
ィスプレイに利用されている。この半導体発光装置の例
としては、たとえばＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及
びＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた可視光発光デバイスや高温動作電子デバイスがあ
り、青色発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】ＬＥＤチップを発光素子として備える半導
体発光装置は、ディスプレイに備えるプリント基板に接
続したリードフレームの発光面側にＬＥＤチップを搭載
してワイヤボンディングによりリードフレームと電気的
に接続し、更に発光素子の保護及びレンズとしても機能
する樹脂によって封止したものがその基本的な構成であ
る。図４にこのような半導体装置の従来例の要部を示
す。
【０００４】図４に示す例は、窒化ガリウム系化合物半
導体を利用した青色ＬＥＤランプであり、半導体発光素
子５１は、その絶縁性の基板５１ａをリードフレーム５
２の上端に形成したマウント５２ａの上に搭載してペー
スト５３によって接着され、発光素子５１の上端にそれ
ぞれ形成したｐ側極５１ｂ及びｎ側極５１ｃをワイヤ５
４ａ，５４ｂによってリードフレーム５２及びこれと対
をなしている他方のリードフレーム５５に接続してい
る。そして、発光素子５１を含めてマウント５２ａ周り
の全体がエポキシ樹脂５６によって封止されている。
【０００５】このような発光素子５１を含むＬＥＤラン
プでは、発光素子５１の窒化ガリウム系化合物の半導体
膜のｐ−ｎ接合域を発光層として、ｐ側極５１ｂを含む
領域を占めるｐ型層の上面を光取出し面として上向きの
発光が得られる。そして、基板５１ａが透明なサファイ
アとする場合では、発光層からの光は発光素子５１の上
端面の光取出し面からだけでなく、この基板５１ａから
下側に向けても出力されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図示の例の窒化ガリウ
ム系化合物の半導体膜を積層した発光素子５１の場合で
は、半導体積層膜の光学的な屈折率は約２程度である。
そして、窒化ガリウム系化合物以外の組成のものを使用
する発光素子については、屈折率が最も大きいもので約
５程度である。
【０００７】一方、発光素子５１を封止する樹脂材料と
しては、図示の例で示したようにエポキシ樹脂が現在の
ところ最適とされており、このエポキシ樹脂の屈折率は
約１．５程度である。
【０００８】このように、窒化ガリウム系化合物の場合
でもその他の化学組成の半導体積層膜の場合でも、発光
素子５１の半導体積層膜の屈折率はこれを封止している
エポキシ樹脂５６の屈折率よりも大きい。このため、発
光素子５１からの発光は屈折率が相対的に大きい半導体
積層膜から小さい屈折率のエポキシ樹脂５６に入射する
ので、積層膜からの発光が或る臨界角よりも小さい入射
角となるとエポキシ樹脂５６との境界面で全反射する。
そして、窒化ガリウム系化合物半導体積層膜の発光素子
の場合では、積層膜の屈折率が約２程度であってエポキ
シ樹脂５６の屈折率は１．５程度なので、屈折率の差が
かなり大きくなるので、全反射率も高くなる。
【０００９】このような全反射が生じると、発光素子５
１の発光域からの光の一部はエポキシ樹脂５６との境界
面から内部側に戻る向きに反射してしまうので、エポキ
シ樹脂５６を透過する全体の光量が減ることになり、光
の取出し効率が低下する。したがって、発光素子５１の
発光輝度も減衰してしまうことになる。そして、窒化ガ
リウム系化合物積層膜を用いる場合では、全反射率が高
いので、発光輝度の低下はより顕著である。
【００１０】このように発光素子５１をエポキシ樹脂５
６で封止してしまうと、両者の間での屈折率の相対的な
大きさの関係によって、発光素子５１が持つ本来の発光
輝度を達成することができない。そして、前にも述べた
ように、封止用の樹脂としてはエポキシ樹脂が最適であ
って、現在のところこれに代わるものがないので、発光
輝度の低下を犠牲にした製品化に甘んじているのが実情
といえる。
【００１１】本発明において解決すべき課題は、発光素
子を樹脂封止するに際して発光素子からの発光が透過方
向に対して全反射する割合を小さく抑えるようにして発
光装置としての発光輝度を向上させることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、結晶基板の上
にｐ−ｎ接合の半導体層を積層した発光素子と、この発
光素子を搭載して電気的に導通させる搭載導通部材と、
発光素子及びその搭載導通部材との導通部を少なくとも
被覆し且つ発光素子よりも小さな屈折率の封止樹脂とを
含む半導体発光装置であって、発光素子と封止樹脂のそ
れぞれの屈折率の間の値の屈折率を持つ屈折率緩衝用樹
脂層を、少なくとも発光素子の光取出し面を被覆して封
止樹脂に内在させてなることを特徴とする。
【００１３】このような構成であれば、発光素子からの
光は屈折率の差が大きな封止樹脂に直に入射せずに屈折
率の差を狭めた屈折率緩衝用樹脂層を抜けてから封止樹
脂に達するので、発光素子から封止樹脂の外郭面までの
光路における各層の境界面での全反射率が低減される。
【００１４】なお、本発明においては、発光素子を搭載
して電気的に導通させる搭載導通部材は、発明の実施の
形態の項で示すようにリードフレームであり、この他に
もプリント基板またはプリント基板の上方に別体として
配置する各種の成型品とすることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、結晶基
板の上にｐ−ｎ接合の半導体層を積層した発光素子と、
この発光素子を搭載して電気的に導通させる搭載導通部
材と、発光素子及びその搭載導通部材との導通部を少な
くとも被覆し且つ発光素子よりも小さな屈折率の封止樹
脂とを含む半導体発光装置であって、発光素子と封止樹
脂のそれぞれの屈折率の間の値の屈折率を持つ屈折率緩
衝用樹脂層を、少なくとも発光素子の光取出し面を被覆
して封止樹脂に内在させてなるものであり、発光素子か
ら封止樹脂の外郭面までの光路における各層の境界面で
の全反射率が低減され、発光素子からの光の取出し効率
を向上し得るという作用を有する。
【００１６】請求項２に記載の発明は、屈折率緩衝用樹
脂層は、発光素子を被覆する層から封止樹脂の外郭方向
へ積層する少なくとも２層の内皮樹脂層とし、これらの
内皮樹脂層は、発光素子を被覆する内皮樹脂層の屈折率
が最大で積層順に小さくなる屈折率をそれぞれ持つもの
であり、２層以上の内皮樹脂を積層することで、発光素
子と封止樹脂の屈折率の差が大きくても、各内皮樹脂ど
うしの間でそれぞれ屈折率を段階的に封止樹脂の屈折率
に漸近させていくことで、各境界面での全反射率を低減
できるという作用を有する。
【００１７】請求項３に記載の発明は、発光素子を搭載
するほぼ椀状のマウントを搭載導通部材に備え、発光素
子を被覆する屈折率緩衝用樹脂層をマウント上に積層し
てなるものであり、マウントに予め屈折率緩衝用樹脂層
を形成しておきこれを封止樹脂で封止した製品が得られ
るという作用を有する。
【００１８】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形
態における窒化ガリウム系化合物半導体によるＬＥＤチ
ップを発光素子として備えるＬＥＤランプの要部の縦断
面図である。
【００１９】図において、従来例で示したものと同様
に、一対のリードフレーム１，２を本実施の形態におけ
る発光素子の搭載導通部材として備え、一方のリードフ
レーム１の上端には発光素子４を搭載するためのマウン
ト３をほぼすり鉢状に凹ませて形成するとともにその内
周面の全体を鏡面状としている。発光素子４は、下端側
に透明のサファイアを用いた結晶基板４ａを設けるとと
もに上端側にｐ側電極４ｂ及びｎ側電極４ｃを形成し、
これらのそれぞれをワイヤ５ａ，５ｂによってリードフ
レーム１，２にワイヤボンディングしている。
【００２０】発光素子４は、その上面であってｐ側電極
４ｂを含むｐ型層を光取出し面とするとともに、発光層
の下側に位置している透明の結晶基板４ａからもその側
方及び下方に向けて発光する。そして、この発光素子４
を内包してワイヤ５ａ，５ｂのボンディングを保護する
とともにレンズとしても機能するエポキシ樹脂を用いた
外皮樹脂層６によって、マウント３の内部を除いてリー
ドフレーム１，２の上端までが封止され、この外皮樹脂
層６が本実施の形態における封止樹脂を構成する。外皮
樹脂層６を形成するエポキシ樹脂の屈折率は約１．５程
度であって、外部の空気の屈折率は１であるから空気と
の間の屈折率の差は小さく、したがって外皮樹脂層６の
表面での全反射率も小さくなる。
【００２１】マウント３の内部には発光素子４の全体を
覆う屈折緩衝用の内皮樹脂層７を屈折率緩衝用樹脂層と
して充填する。この内皮樹脂層７は、マウント３に発光
素子４を搭載して固定し更にワイヤ５ａ，５ｂをボンデ
ィングした後にコーティングによって形成されるもの
で、このコーティングしたものを予め製作した後に、外
皮樹脂層６によって全体を封止することによって図示の
発光装置が得られる。
【００２２】マウント３にコーティングする内皮樹脂層
７は、発光素子４の全ての表面との間に隙間がないよう
に充填するものとし、その上端面は外皮樹脂層６の上側
の球面とぼほ同じ曲率のプロフィルを持たせる。そし
て、内皮樹脂層７と外皮樹脂層６との境界面にも微小な
隙間がなく完全に密着接合されるように処理する。
【００２３】ここで、図示の例における窒化ガリウム系
化合物半導体膜を用いた発光素子４では、そのｐ−ｎ接
合域の発光層からの発光に対する屈折率は約５程度であ
る。一方、エポキシ樹脂を素材とする外皮樹脂層６の屈
折率は、先に述べたように約１．５程度であるため、発
光素子４と外皮樹脂層６との間では屈折率の差が大き
い。
【００２４】これに対し、本発明では、内皮樹脂層７の
屈折率をたとえば１．５〜２．０程度とすることによっ
て、発光素子４と内皮樹脂層７との間及び内皮樹脂層７
と外皮樹脂層６との間のそれぞれの屈折率の差を狭める
ように操作する。
【００２５】以上の構成において、発光素子４からの発
光は、内皮樹脂層７から外皮樹脂層６を抜けて外部に放
出される。一方、従来構造は外皮樹脂層６のみで発光素
子４を封止したものに相当するが、この構成では発光素
子４の発光面での全反射率が高くなるのに対し、内皮樹
脂層７を設けて発光素子４との間での屈折率の差を狭め
ているので、全反射率を下げることができる。そして、
内皮樹脂層７と外皮樹脂層６との間の屈折率の差も、た
とえば発光素子４とエポキシ樹脂との間の差よりも小さ
くなるので、同様にこれらの内皮樹脂層７と外皮樹脂層
６との間の界面における全反射率も低下する。
【００２６】このように、発光素子４と従来から用いら
れているエポキシ樹脂を素材とした外皮樹脂層６との間
に、内皮樹脂層７を介在させることにより、発光素子４
からの発光が最終的に外皮樹脂層６から放出されるまで
の光路での全反射率を大幅に低減することができる。し
たがって、従来構造では、発光素子４からの光取出し効
率に限界があったのに対し、約２０％程度の発光輝度の
向上が可能となる。
【００２７】図２は図１の例において発光素子４とエポ
キシ樹脂素材の外皮樹脂層６との間に２層の内皮樹脂層
を積層した３層構造としたものであり、図１に示したも
のと同じ部材については共通の符号で指示しその詳細な
説明は省略する。
【００２８】マウント３の内部には第１の内皮樹脂層８
と第２の内皮樹脂層９が順にコーティングによって積層
形成され、先の例と同様にこれらの第１及び第２の内皮
樹脂層８，９を予め形成したマウント３に対して外皮樹
脂層６によって封止する。この２層の内皮樹脂層８，９
を含むものでは、各層及び発光素子４との間のそれぞれ
の屈折率の関係は、外皮樹脂層６＜第２の内皮樹脂層９
＜第１の内皮樹脂層８＜発光素子４とする。
【００２９】このような第１及び第２の内皮樹脂層８，
９を設けるものでは、発光素子４と第１の内皮樹脂層８
との間，第１の内皮樹脂層８と第２の内皮樹脂層９との
間及び第２の内皮樹脂層９と外皮樹脂層６との間のそれ
ぞれの屈折率の差を図１に示した例のものよりも更に狭
めることができる。したがって、発光素子４から外皮樹
脂層６の表面までの各境界面での全反射率も更に低下さ
せることができ、これにより発光素子４からの光取出し
効率が向上し、高発光輝度の発光性能が得られる。
【００３０】図３は赤または緑の発光ダイオードによる
発光装置の例を示す要部の概略縦断面図である。
【００３１】この例でも、上端にマウント３を形成した
リードフレーム１とこれと対をなすリードフレーム２と
を導通材として備え、下側にｎ側電極１０ａ及び上側に
ｐ側電極１０ｂをそれぞれ形成した発光素子１０がマウ
ント３の上に搭載されている。そして、ｎ側電極１０ａ
は直にマウント３に接触させてリードフレーム１側と導
通させ、ｐ側電極１０ｂにはワイヤ１０ｃをボンディン
グしてリードフレーム２に接続している。
【００３２】赤色または緑色の発光ダイオード用の発光
素子１０では、その結晶基板に成長させる半導体積層膜
の屈折率は約３〜５程度であり、外皮樹脂層６として用
いるエポキシ樹脂の屈折率は先に述べたように１．５程
度である。したがって、図１の例と同様に、発光素子１
０と外皮樹脂層６との間に内皮樹脂層１１ができるよう
にこの内皮樹脂層１１をマウント３の上にコーティング
によって充填し、発光素子１０から外皮樹脂層６の表面
までの境界面での全反射率を低下させる。
【００３３】ここで、内皮樹脂層１１としてはその屈折
率が１．７程度の合成樹脂を使用することができる。
【００３４】図３の例においても、発光素子１０と内皮
樹脂層１１との間の屈折率の差は、発光素子１０が直に
エポキシ樹脂の外皮樹脂層６で封止されている場合より
も小さく、また内皮樹脂層１１と外皮樹脂層６との間の
屈折率の差も小さい。したがって、発光素子１０からの
発光が外皮樹脂層６の表面から放たれるまでの全反射率
を小さく抑えることができ、発光素子１０の発光輝度が
高く維持される。
【００３５】
【発明の効果】請求項１の発明では、屈折率緩衝用樹脂
層を封止樹脂に内在させることで、発光素子から封止樹
脂の外郭面までの光路における各層の境界面での全反射
率を低下させることができ、発光素子からの光取出し効
率を上げてその発光輝度を高く保つことができる。
【００３６】請求項２の発明では、発光素子と封止樹脂
の屈折率の差が大きくても、各内皮樹脂どうしの間でそ
れぞれ屈折率を段階的に封止樹脂の屈折率に漸近させて
いくことで、各境界面での全反射率を低減できるので、
発光素子及び封止樹脂の屈折率に関係なく高輝度の発光
が得られる。
【００３７】請求項３の発明では、マウントに予め屈折
率緩衝用樹脂層を形成しておけばこれを封止樹脂で封止
するだけの工程で製品を得ることができ、屈折率を緩衝
させるための構成が安価に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子を用いた発光装置の要部を示す縦断
面図
【図２】図１の発光素子の周りに第１及び第２の内皮樹
脂層を形成する発光装置の例を示す縦断面図
【図３】赤色又は緑色の発光ダイオードを発光素子とし
て含む発光装置の例を示す縦断面図
【図４】従来の発光装置のエポキシ樹脂による封止構造
を示す縦断面図
【符号の説明】
１ リードフレーム（搭載導通部材） ２ リードフレーム ３ マウント ４ 発光素子 ４ａ 結晶基板 ４ｂ ｐ側電極 ４ｃ ｎ側電極 ５ａ，５ｂ ワイヤ ６ 外皮樹脂層（封止樹脂） ７ 内皮樹脂層（屈折率緩衝用樹脂層） ８ 第１の内皮樹脂層（屈折率緩衝用樹脂層） ９ 第２の内皮樹脂層（屈折率緩衝用樹脂層） １０ 発光素子 １０ａ ｎ側電極 １０ｂ ｐ側電極 １０ｃ ワイヤ １１ 内皮樹脂層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 結晶基板の上にｐ−ｎ接合の半導体層を
    積層した発光素子と、この発光素子を搭載して電気的に
    導通させる搭載導通部材と、発光素子及びその搭載導通
    部材との導通部を少なくとも被覆し且つ発光素子よりも
    小さな屈折率の封止樹脂とを含む半導体発光装置であっ
    て、発光素子と封止樹脂のそれぞれの屈折率の間の値の
    屈折率を持つ屈折率緩衝用樹脂層を、少なくとも発光素
    子の光取出し面を被覆して封止樹脂に内在させてなる半
    導体発光装置。
  2. 【請求項２】 屈折率緩衝用樹脂層は、発光素子を被覆
    する層から封止樹脂の外郭方向へ積層する少なくとも２
    層の内皮樹脂層とし、これらの内皮樹脂層は、発光素子
    を被覆する内皮樹脂層の屈折率が最大で積層順に小さく
    なる屈折率をそれぞれ持つ請求項１記載の半導体発光装
    置。
  3. 【請求項３】 発光素子を搭載するほぼ椀状のマウント
    を搭載導通部材に備え、発光素子を被覆する屈折率緩衝
    用樹脂層をマウント上に積層してなる請求項１または２
    記載の半導体発光装置。
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