JP2002319708A

JP2002319708A - Ｌｅｄチップおよびｌｅｄ装置

Info

Publication number: JP2002319708A
Application number: JP2001124558A
Authority: JP
Inventors: Takuma Hashimoto; 拓磨橋本; Masaru Sugimoto; 勝杉本; Hideyoshi Kimura; 秀吉木村; Eiji Shiohama; 英二塩浜; Kazunari Kuzuhara; 一功葛原; Shigenari Takami; 茂成高見
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＥＤチップ発光のチップ内繰り返し反射を
抑制して、ＬＥＤチップからの光取り出しを促し、ＬＥ
Ｄチップの効率を向上させる。【解決手段】透光性のサファイア基板１０上に窒化ガ
リウムのバッファ一層を形成し、その上にｎ型半導体層
１１を形成し、その上に多層の量子井戸構造層が形成さ
れ発光層となる、その上にｐ型半導体層１２を形成して
成り、ｐ型半導体層１２の上に形成された電極１３と、
ｐ型半導体層１２と発光層の一部をエッチング除去して
一部が露出されたｎ型半導体層１１に形成された電極１
４とを組みにして有している。そして、サファイア基板
１０の窒化ガリウム層を形成した側の反対側の面には、
１μｍ程度の凹凸１０ａが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系Ｌ
ＥＤ（発光ダイオード）のように、透光性の基板結晶上
にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを形成しており、フェ
ースダウン状態で実装されるＬＥＤチップおよびこれを
含むＬＥＤ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５にこの種のＬＥＤチップの構造図を
示す。ただし、図５（ａ）は基板にフェースダウン状態
で実装されたＬＥＤチップの断面図、（ｂ）はＬＥＤチ
ップを表面から見た図、（ｃ）は（ｂ）に対応する側面
から見た断面図である。

【０００３】窒化ガリウム系（ＩｎＧａＮなど）のＬＥ
Ｄチップ１PAは、一般的に図５に示す構造をしている。
透光性のサファイア基板１０PA上に窒化ガリウムのバッ
ファ一層が形成され、その上にｎ型半導体（窒化ガリウ
ム）層１１、その上に多層の量子井戸構造層が形成され
発光層となる、その上にｐ型半導体（窒化ガリウム）層
１２が形成される。場合によってはその上に発光取り出
し率向上のためのキャップ層が形成されることがある。
なお、図５（ａ）中のＡは実装基板であり、Ｂは充填剤
である。

【０００４】ｐ型半導体層１２の上にはｐ側の電極１３
が形成される。一方、基板（１０PA）として用いるサフ
ァイアには導電性がないため、ｐ型半導体層１２と発光
層の一部をエッチング除去して、ｎ型半導体層１１の一
部を露出させ、その上にｎ側の電極１４が形成される。
従って、窒化ガリウム系のＬＥＤチップ１PAは、窒化ガ
リウム層形成面側に、ｐ，ｎ側に電極１３，１４がそれ
ぞれ存在する構造になるのが一般的である。

【０００５】電極１３，１４については、ワイヤボンデ
ィングに適した面積を持った丸または四角の形状で、ｐ
側，ｎ側の電極を各１つ組みにして形成されるのが通常
である。また、一般的な窒化ガリウム系のＬＥＤチップ
は、そのチップサイズが３００μｍ□×７０μｍ厚であ
り、チップ自身の面積は従来のＬＥＤチップと同様に小
型である。

【０００６】窒化ガリウム系のＬＥＤチップを光源装置
に実装する場合は、ＬＥＤチップの窒化ガリウム層形成
面を光源装置基板とは逆の方向に向けて、フェースアッ
プでダイボンディングを行った後に、ワイヤボンディン
グによってｐ側，ｎ側のそれぞれの電極と光源装置の配
線とを接続することになる。

【０００７】この実装形態では、ＬＥＤチップの発熱部
が窒化ガリウム層であるので、熱はサファイア基板１０
PAを通じて外部に放出される。ＬＥＤチップの製造工程
においては、強度の関係からより厚いサファイア基板を
用いて窒化ガリウム層が形成されるが、放熱を良くする
ために、ＬＥＤチップを個々に切り出す前の段階におい
て、サファイア基板のバックポリッシュ（裏面研磨）を
行い、７０μｍの厚さにまで削る工程が設けられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のＬＥＤチップの
構造では、窒化ガリウムの発光層で発生した発光は次の
経路で外部へと取り出される。

【０００９】発光の一部が発光層からｐ型半導体層を通
じてＬＥＤチップの最上面に当たるキャップ層へと導か
れる。キャップ層に入った光のうちで進入角が完全反射
条件を満たさない光は、そのままＬＥＤチップの表面か
ら外部へと取り出される。完全反射条件を満たす光は、
下側に反射されてＬＥＤチップの基板へと進み、一部は
キャップ層の下面で反射されキャップ層内を繰り返し反
射しながらチップの横方向へと進んでいく。キャップ層
の側面まで達した光は、その一部が側面端部から外部へ
と取り出される。

【００１０】一方、発光層からｎ型層を通じてＬＥＤ基
板側へと導かれる発光もある。ＬＥＤ基板は透明なサフ
ァイアからなっているため、発光はサファイア基板内を
進行し、基板下面へと到達する。基板下面において完全
反射条件を満たさない光は、そのままＬＥＤチップの下
面から外部へと取り出され、ダイボンディング樹脂内を
通過し、ＬＥＤチップを実装している光源装置基板によ
って反射されて、再びＬＥＤチップ内を上方へと進行
し、キャップ層を通じて外部へと取り出される。完全反
射条件を満たす光は、上側に反射されＬＥＤチップの基
板の上面で一部が反射され、サファイア基板内を繰り返
し反射しながらサファイア基板端部に到達した時点で、
一部が外部へと取り出される。

【００１１】しかしながら、従来のＬＥＤチップ構造で
は、界面において完全反射条件を満たす光は、ＬＥＤチ
ップ内部を繰り返し反射しながら進行するため、その度
に反射率分のロスとなって消失していく。ＬＥＤチップ
が互いに平行な面から構成されているため、完全反射条
件の光は１方の界面で反射されると、向かい合う界面に
おいても完全反射条件となり、再び反射されることにな
る。

【００１２】ＬＥＤチップの効率（外部量子効率）を向
上させるには、ＬＥＤチップ内で完全反射を繰り返す光
成分を抑えることが必要である。

【００１３】本発明は上記問題を鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、ＬＥＤチップ発光のチ
ップ内繰り返し反射を抑制して、ＬＥＤチップからの光
取り出しを促し、ＬＥＤチップの効率（外部量子効率）
を向上させることができるＬＥＤチップおよびＬＥＤ装
置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１記載の発明は、透光性の基板結晶上にｐ型半
導体層とｎ型半導体層とを形成して成り、フェースダウ
ン状態で実装されるＬＥＤチップであって、基板結晶の
表面に凹凸が設けられていることを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載のＬ
ＥＤチップにおいて、基板結晶の側面は斜めにカットさ
れ、その側面の部分は鏡面になっていることを特徴とす
る。

【００１６】請求項３記載の発明のＬＥＤ装置は、請求
項１記載のＬＥＤチップを含み、この周囲に光波長変換
機能を有する物質を配置して成ることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は本発明に
係る第１実施形態のＬＥＤチップを示す概略図である。

【００１８】第１実施形態のＬＥＤチップ１は、図５に
示したＬＥＤチップと同様の窒化ガリウム系のものであ
る。ＬＥＤチップ１の外形寸法は３００μｍ□×７０μ
ｍ厚であり、ＬＥＤチップ１の窒化ガリウム層の最上部
は、電極１３，１４を除いて酸化珪素と酸化チタンによ
ってＤＢＲ反射層を形成している。サファイア基板１０
の窒化ガリウム層を形成した側の反対側の面には、１μ
ｍ程度の凹凸１０ａが形成されている。ここでは、バッ
クポリッシュの段階で、使用する研磨剤の粒度を調整す
ることにより、凹凸１０ａを形成した。なお、この凹凸
１０ａの断面形状は、三角状または四角状などでもよ
く、あるいは丸みを帯びた半円状などでもよい。

【００１９】つまり、第１実施形態のＬＥＤチップ１
は、透光性のサファイア基板１０上に窒化ガリウムのバ
ッファ一層を形成し、その上にｎ型半導体層１１を形成
し、その上に多層の量子井戸構造層が形成され発光層と
なる、その上にｐ型半導体層１２を形成して成り、ｐ型
半導体層１２の上に形成された電極１３と、ｐ型半導体
層１２と発光層の一部をエッチング除去して一部が露出
されたｎ型半導体層１１に形成された電極１４とを組み
にして有し、サファイア基板１０の窒化ガリウム層を形
成した側の反対側の面には、１μｍ程度の凹凸１０ａが
形成されているものである。このＬＥＤチップ１は、図
５で示した要領で、窒化ガリウム層側を下方に向けたフ
ェースダウン状態で実装基板Ａに実装され、これにより
光源装置が得られる。

【００２０】この光源装置においては、窒化ガリウム層
の発光部において発生した光のうち下面側に進んだ光
は、ＤＢＲ反射層でそのほとんどが反射され、上面側へ
と向かう。発光部から上面側に進んだ光は、サファイア
基板１０内を通過してサファイア基板１０の上面部へと
達する。上面部は凹凸１０ａが形成されているため、略
完全拡散面として作用し、一部の光は外部へと取り出さ
れる。一部の光は反射されて再びサファイア基板１０内
を下方へとすすむが、凹凸面での反射であるので、反射
方向はランダムとなる。上部凹凸面（凹凸１０ａが形成
された面）で反射された光のうち一部はサファイア基板
１０の側面に到達し、側面から外部へと取り出される。
上部凹凸面で反射された光のうち下面に到達したものは
再びＤＢＲ反射層で上面側に反射されて、上部凹凸面か
ら一部が外部へと取り出される。

【００２１】このように、ＬＥＤチップ１をフェースダ
ウンで実装基板Ａに実装し、ＬＥＤチップ１の上面を凹
凸構造としたことによって、ＬＥＤチップ内の平行面が
減少し、繰り返し完全反射を行う光を抑えることができ
る。

【００２２】（第２実施形態）図２は本発明に係る第２
実施形態のＬＥＤチップを示す概略図である。

【００２３】第２実施形態のＬＥＤチップ２は、第１実
施形態と同様にサファイア基板１０上に形成した窒化ガ
リウム系のＬＥＤであり、サファイア基板１０の窒化ガ
リウム層形成側の反対側の面に凹凸１０ａを形成すると
同時に、サファイア基板１０の側面部にも凹凸１０ｂを
形成している。つまり、ＬＥＤチップ２は、サファイア
基板１０の側面部に凹凸１０ｂをさらに形成している以
外は、第１実施形態のＬＥＤチップ１と同様の構造を有
しているのである。

【００２４】このＬＥＤチップ２をフェースダウンで実
装基板Ａに実装することによって、上部凹凸面による平
行面の減少に加えて、側部凹凸面（凹凸１０ｂが形成さ
れた面）によってさらに平行面が減少するので、ＬＥＤ
チップ２内での繰り返し完全反射をさらに抑え、光の外
部取り出しを向上させることができる。

【００２５】（第３実施形態）図３は本発明に係る第３
実施形態のＬＥＤチップを示す概略図である。

【００２６】第３実施形態のＬＥＤチップ３の窒化ガリ
ウム層およびＤＢＲ反射層構成は第１実施形態のそれら
と同じである。

【００２７】断面台形状のサファイア基板３０の窒化ガ
リウム層を形成した側と反対側の面は、１μｍ程度の凹
凸３０ａを形成しており、かつサファイア基板３０の側
面を窒化ガリウム層の面に対して６０度の角度で切断し
た。つまり、第３実施形態のＬＥＤチップ３は、窒化ガ
リウム層を形成した側と反対側の面に１μｍ程度の凹凸
３０ａを有している断面台形状のサファイア基板３０を
サファイア基板１０に代えて備える以外は、第１実施形
態のＬＥＤチップ１と同様である。

【００２８】第３実施形態のＬＥＤチップ３の場合、サ
ファイア基板３０の側面部が６０度の角度で逆台形状に
なっているため、互いの側面は平行とはなっていない。
従って、ＬＥＤチップ３内での繰り返し完全反射を抑
え、光の外部取り出しを向上させることができる。

【００２９】（第４実施形態）図４は本発明に係る第４
実施形態のＬＥＤチップを示す概略図である。

【００３０】第４実施形態では、第２実施形態のＬＥＤ
チップ２が使用される。ただし、ＬＥＤチップ２は、青
色に発光するものである。

【００３１】この青色に発光するＬＥＤチップ２は、実
装基板Ａ’の凹部内に実装される。そして、凹部内に
は、ＬＥＤチップ２の青色発光によって励起し黄色光を
放出する蛍光体粒子を分散させたエポキシ樹脂Ｃが充填
される。

【００３２】この第４実施形態においては、ＬＥＤチッ
プ２の上部凹凸面、側部凹凸面から効率よく光を取り出
すことができるため、青色発光の外部量子効率は非常に
高くなる。取り出された青色発光はその一部はそのまま
エポキシ樹脂Ｃ内を通過して実装基板Ａ’の凹部から取
り出されるが、一部は蛍光体によって黄色発光となって
凹部から取り出される。そして、凹部から取り出された
青色光と黄色光との混色によって白色光が得られる。

【００３３】第４実施形態の光源装置は、従来の平坦面
のサファイア基板からなり、フェースアップ実装のＬＥ
Ｄ光源装置に比較して、ＬＥＤチップ２からの光取り出
し効率が高く、発光部が光源装置の基板Ａ’（の凹部底
面）に近接しているため、放熱特性も高い特徴のある光
源装置となる。

【００３４】

【発明の効果】以上のことから明らかなように、請求項
１記載の発明は、透光性の基板結晶上にｐ型半導体層と
ｎ型半導体層とを形成して成り、フェースダウン状態で
実装されるＬＥＤチップであって、基板結晶の表面に凹
凸が設けられているので、従来に比べて発光効率に優
れ、色むらも改善されたＬＥＤチップを提供することが
できる。

【００３５】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載のＬＥＤチップにおいて、基板結晶の側面は斜めにカ
ットされ、その側面の部分は鏡面になっているので、従
来に比べて色むらが改善され、発光効率に優れたＬＥＤ
チップを提供することができる。

【００３６】請求項３記載の発明のＬＥＤ装置は、請求
項１記載のＬＥＤチップを含み、この周囲に光波長変換
機能を有する物質を配置して成るので、従来に比べて色
むらが改善され、発光効率に優れたＬＥＤ装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施形態のＬＥＤチップを示
す概略図である。

【図２】本発明に係る第２実施形態のＬＥＤチップを示
す概略図である。

【図３】本発明に係る第３実施形態のＬＥＤチップを示
す概略図である。

【図４】本発明に係る第４実施形態のＬＥＤチップを示
す概略図である。

【図５】従来のＬＥＤチップの構造図である。

【符号の説明】

１，２，３ＬＥＤチップ１０，３０サファイア基板１０ａ，１０ｂ，３０ａ凹凸１１ｎ型半導体層１２ｐ型半導体層１３，１４電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村秀吉大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者塩浜英二大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者葛原一功大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者高見茂成大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA07 CA03 CA40 CA46 CB15 CB36 DA04 DA41 EE25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性の基板結晶上にｐ型半導体層とｎ
型半導体層とを形成して成り、フェースダウン状態で実
装されるＬＥＤチップであって、基板結晶の表面に凹凸
が設けられていることを特徴とするＬＥＤチップ。
【請求項２】基板結晶の側面は斜めにカットされ、そ
の側面の部分は鏡面になっていることを特徴とする請求
項１記載のＬＥＤチップ。
【請求項３】請求項１記載のＬＥＤチップを含み、こ
の周囲に光波長変換機能を有する物質を配置して成るこ
とを特徴とするＬＥＤ装置。