JP2007184319A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子から出射された光の利用効率を向上させ、高出力・高効率のリフレクタ付半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】サブマウント、発光素子およびリフレクタの位置および大きさが、該半導体発光素子の中心を通る基板に垂直な断面において下式（Ａ）の関係を満足していることを特徴とする半導体発光装置。
ｒ−ｌｓ≦（ｈｓ−ｄ）×（ｌｓ−ｌｃ）／ｈｃ （Ａ）
式（Ａ）において、ｒ、ｌｓおよびｌｃは、それぞれリフレクタのダレ部、サブマウントの外周および半導体発光素子の外周と半導体発光素子の中心との距離であり、ｈｓおよびｄはそれぞれサブマウントおよびリフレクタのダレ部の高さであり、ｈｃは半導体発光素子上面のサブマウント上面からの高さである。
【選択図】図７

Description

本発明は半導体発光装置に関する。特に、半導体発光素子の周囲にリフレクタが設けられた半導体発光装置に関する。

ＬＥＤの高出力化、高効率化により、ＬＥＤが利用されるアプリケーションが拡大している。従来の有色のインジケータ用途、屋外大型ディスプレイ用途に加え、白色の携帯電話のバックライト光源、ヘッドライト、照明光源へと急速に使用量が増加している。これらＬＥＤのニーズに応える為には、さらなる高出力化、高効率化が必要となっている。

ＬＥＤチップについては、Ａｓ系のＬＥＤで一般的な導電性基板上にＬＥＤエピタキシャル積層構造を形成したタイプと、Ｎ系のＬＥＤで多い、絶縁性基板上にＬＥＤエピタキシャル積層構造を形成したタイプに大別される。前者は基板裏面と半導体表面のいわゆる上下に電極を形成し、後者は半導体表面に２つの電極を形成する。上下電極チップの実装例は例えば特許文献１に記されており、半導体表面に２つの電極が形成された例は例えば特許文献２に開示されている。また、基板面を実装面とするフェイスアップタイプのチップと、半導体表面を実装面とするフリップチップタイプのチップが存在する。また、フリップチップタイプのチップをひとまわり大きなサイズのサブマウントと呼ばれる部材にＡｕバンプなどを介してボンディングし、フェイスアップチップと同様にワイヤーボンディングを可能とする技術が存在する（例えば特許文献３参照）。

従来、サブマウントは電気接合のために、あるいは静電耐圧用の保護回路として形成、利用されており、半導体発光素子より出射された光の利用効率をアップさせるためには用いられていなかった。また、そのサイズに関してはＬＥＤチップと同等あるいはワイヤーボンディングパッドの面積分だけ大きくするというのが通例であった。

また、従来よりリフレクタ付半導体発光装置が知られている（例えば特許文献４の図１参照）。実際のリフレクタの穴開け加工に際しては、図６に示すように、底面開口部側に１００μｍ程度の厚さでダレが発生し、半導体発光素子から出射された光の一部がリフレクタのダレ部（５）や基板面（７）の非反射面にあたり、有効利用されず、光の利用効率が悪いという問題があった。

放物面リフレクタを用いた半導体発光装置も従来より知られている（例えば特許文献５の第１図参照）。焦点を半導体発光素子とすると、リフレクタ開口部を大きくとる必要があり、同様に、半導体発光素子から出射された光の一部がリフレクタのダレ部（５）や基板面（７）の非反射面にあたり、有効利用されず、光の利用効率が悪いという問題がある。

即ち、リフレクタをパッケージ基板実装平面上に後付けした半導体発光装置において、リフレクタ底面開口部のダレ部は加工上避けられず、概ね１００μｍ程度の厚さで発生する。これに対し、一般的な発光素子チップは厚さが５０μｍ〜５００μｍであるので、従来のリフレクタ後付けＬＥＤパッケージは、チップの水平方向横にダレ部が対向し光学設計通りの光線制御ができていなかった。迷走した光線はチップとパッケージ基板との間で反射を繰り返し減衰してしまう為、光量のロス、効率の低減を引き起こしていた。

特開昭６１−７７３４７号公報 特開平５−２４３６１３号公報 特許第３２５７４５５号公報 特開２００３−８０７４号公報 特開昭５８−１６４２７６号公報

本発明の目的は、リフレクタ付半導体発光装置の上述の問題点を解決し、半導体発光素子から出射された光の利用効率を向上させ、高出力・高効率の発光装置を提供することである。

本発明は以下の発明を提供する。
（１）基板、該基板上に設けられたサブマウント、該サブマウント上に設けられた半導体発光素子、および該サブマウントと半導体発光素子の周囲に設けられたリフレクタからなり、サブマウント、発光素子およびリフレクタの位置および大きさが、該半導体発光素子の中心を通る基板に垂直な断面において下式（Ａ）の関係を満足していることを特徴とする半導体発光装置。
ｒ−ｌｓ≦（ｈｓ−ｄ）×（ｌｓ−ｌｃ）／ｈｃ （Ａ）
式（Ａ）において、ｒ、ｌｓおよびｌｃは、それぞれリフレクタのダレ部、サブマウントの外周および半導体発光素子の外周と半導体発光素子の中心との距離であり、ｈｓおよびｄはそれぞれサブマウントおよびリフレクタのダレ部の高さであり、ｈｃは半導体発光素子上面のサブマウント上面からの高さである。

（２）リフレクタの側面が放物面であり、その焦点が半導体発光素子の中心である上記１項に記載の半導体発光装置。

（３）半導体発光素子がフェイスアップ型である上記１または２項に記載の半導体発光装置。
（４）半導体発光素子が上下電極型である上記１または２項に記載の半導体発光装置。

本発明により、リフレクタ付半導体発光装置の光取り出し効率が改良され、高出力の発光装置が得られる。また、リフレクタ設計において、半導体発光素子用サブマウントの高さを変えることにより発光効率を維持したまま、リフレクタ径およびリフレクタ高さを自由に設計することが可能となる。これらにより、高効率および高出力の有色インジケータ、屋外大型ディスプレイ、また、白色の携帯電話のバックライト光源、ヘッドライト、照明光源等が可能となる。

また、サブマウントとパッケージのサイズおよび形状の整合を取る事で光のロスを最小限にすることができる。本発明により、小型・大型を問わず、発光装置の高出力および高効率化が可能となる。赤外〜紫外の単色の短波長発光素子に限らず、これら半導体発光素子を励起源として波長変換物質を加えた白色ＬＥＤや有色ＬＥＤの高出力化および高効率化を図ることが可能となる。

図１は後述の実施例１で作製した本発明の半導体発光装置の断面を示した模式図であり、半導体発光素子から発光される光がリフレクタの反射面以外の非反射面にあたらない理想的なチップ、サブマウントおよびリフレクタの位置関係が示されている。

基板面およびリフレクタダレ面の非反射面に半導体発光素子からの光を当てないためには、図７に示した如く、半導体発光素子の中心とリフレクタのダレ部との距離をｒ、半導体発光素子の中心とサブマウントの外周との距離をｌｓ、半導体発光素子の中心と半導体発光素子の外周との距離をｌｃ、サブマウントの高さをｈｓ、ダレ部の高さをｄ、および半導体発光素子上面のサブマウント上面からの高さをｈｃとした場合に、下式で表されるａおよびｂについて、ａ≦ｂなる関係を満足させることが重要である。
ａ＝ｒ−ｌｓ
ｂ＝（ｈｓ−ｄ）×（ｌｓ−ｌｃ）／ｈｃ
上述の関係を満足した場合に、半導体発光素子からの光は基板面およびリフレクタダレ面に当らなくなり、発光装置の高出力および高効率化が可能となる。

リフレクタ反射面は放物面が望ましく、焦点が半導体発光素子になるようにサブマウント高さを調整することが望ましい。また、リフレクタ反射面は球面、双曲面、多項式曲面、円錐側面、円筒側面を始めとした曲面や、角錐側面、角柱側面などの平面を組み合わせた形状でも良い。リフレクタは金属もしくは樹脂を材料とし、反射面に光学処理をしてあることが望ましい。光学処理としては、金属は研磨加工による鏡面仕上げ、拡散仕上げとしてシボ加工、エンボス加工、白色塗装等を利用し、樹脂は反射金属膜蒸着による鏡面反射を利用したり、もしくは高拡散材入り樹脂を使用する。反射金属膜はＡｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、ＡｌまたはＳｎ等が含有されているものが望ましい。

サブマウントはシリコン、ＧａＰ、ＧａＡｓ等の半導体基板や、ガラス、サファイア等の透明基板で形成される事がコスト上、チップ載置部分を平坦にしやすい都合上、望ましい。サブマウントの裏面を通じて電力供給する事を意図して、サブマウントを抵抗値の低い導電性材料、形状で形成する場合がある。更に、サブマウント自体をツェナーダイオードなどの半導体素子にし、ＬＥＤチップの保護回路を兼ねる場合がある。

例えば、図９に示したように、２本のワイヤーをＬＥＤチップ表面の電極に接続し、それらワイヤーの他端を直接パッケージ基板のリードに配線して電力を供給する場合、サブマウントは単一材料の構造材で形成すれば良い。あるいは、チップのボンディング強度を向上させる為にサブマウント表面にボンディングパッドが形成される事がある。また、ＬＥＤチップの実装面に電極を有するタイプに対しては、サブマウント表面に配線パターンが形成される場合がある。フリップチップ用のサブマウントであれば、チップの電極配置に応じた電極パッドと外部端子への電極パターンがサブマウントの表面あるいは内部に形成される。

サブマウントの形状は四角板状が一般的であるが、六角板状などの多角形板状、円形板状などの曲線から形成される板状、またヒートシンクを兼ねて立方体状のブロック形状として形成される。

サブマウント表面に光学処理がしてあることが望ましい。光学処理とは、金属膜蒸着、バフがけ等の鏡面仕上げもしくは、シボ、エンボス加工、白色塗装等の拡散仕上げなどが含まれる。サブマウント表面を拡散仕上げとすると、サブマウント表面で光が拡散し、パッケージ内での強度バラツキが少なくなる。

基板については、例えばプリント基板上に別途金属製のリフレクタを取付けるタイプがある。ガラスエポキシ樹脂等の絶縁樹脂をコアとした両面銅貼りのプリント基板において、表面銅箔をエッチングし電極パターンを形成した後、ＬＥＤチップが載置される部分を囲う様に、アルミ等の金属製リフレクタを絶縁性の接着フィルムで接着した例が前述の特開２００３−８０７４号公報に開示されている。ガラエポ樹脂コアの両面銅貼り基板の代わりに、片面銅貼り基板や、メタルコアの両面銅貼り基板、メタルベースの片面銅貼り基板、ひいてはアルミナや窒化アルミニウム等のセラミックを挟んだ両面銅貼り基板、両面アルミ貼り基板であってもよい。これら基板の厚みは０．１ｍｍほどから１０ｍｍが一般的である。

半導体発光素子は、Ａｓ系、Ｐ系、Ｎ系のＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体やＯ系、Ｓ系、Ｓｅ系などのＩＩ-ＶＩ族化合物半導体などで構成される。発光波長は２００ｎｍの深紫外域から１μｍを超える赤外域まで想定される。半導体発光素子はサファイアなどの絶縁基板上に形成され、表面側に電極が２つあって２本のワイヤーでパッケージ基板側のリードまたはサブマウント上の電極パターンに電気的な接続をされるフェイスアップタイプや、前記２つの電極をサブマウント上の電極パターンに直接接触させるフリップチップタイプ、あるいは導電性基板上に形成され、表面側に１電極、基板裏面側に１電極を有し、表面電極側から１本のワイヤーでパッケージ基板側のリードに接続し、基板裏面側には導電性接合材を介してチップの固定と電気伝導を兼ねてサブマウントに接着するタイプが挙げられる。即ち本発明はフリップチップのみならず、通常サブマウント上に実装されないフェイスアップタイプ半導体発光素子や上下電極の半導体発光素子においても効果を発揮する。

本発明において発光素子からの光がリフレクタダレ部に当たる面積については、リフレクタのダレ部の全周面積を１００％とすると５０％以下が望ましい。更に望ましくは１０％以下であり、最も望ましいのは０％である。０％の場合、８０％の場合と比べて放物面リフレクタ付半導体発光装置軸上光度で１０％程度の光度が上昇する。

以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１は本実施例で作製した半導体発光装置の断面を示した模式図であり、図２はその平面を示した模式図である。

半導体発光素子は以下の通り形成した。まず、ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなるＬＥＤエピタキシャル積層構造を形成した。このエピタキシャルウエハの表面にフォトリソグラフィー技術を用いて１ｍｍ角の発光素子となる様、パターニングし、ドライエッチングでチップの一部をｎ型層まで掘り込んだ。エッチングした部分に発光素子の負電極、エッチングしていない表面に反射率の高い金属からなる発光素子の正電極を形成し、その後、サファイア基板の裏面を厚さが約８０μｍまで研削・研磨し、フリップチップタイプの１ｍｍ角チップに分割した。

サブマウントはｎ⁺のＳｉウエハの表面に酸化層を形成し、酸化層の上に発光素子の正電極、負電極のパターンに対応するパターンにてＡｌ蒸着膜を形成し作製した。サブマウントのサイズは２ｍｍ角で、高さは２７０μｍである。発光素子の寸法は１ｍｍ角で、高さは８０μｍである。

上述の様に形成したフリップチップタイプの青色半導体発光素子を金バンプを用いて、半導体発光素子用サブマウント上に実装した。このとき、サブマウントと発光素子の向きは同一方向で中心を重ねた。これらを電極パターンの形成してある５０ｍｍ×１５０ｍｍのアルミベース基板上に導電性接着剤を用いて固定し、サブマウント上の電極から基板上の電極に直径２５μｍの金線でワイヤーボンディングした。

そこにアルミ製のリフレクタを接着剤で結合した。このとき、前記発光素子の中心とリフレクタ穴の中心は重なるようにした。アルミのリフレクタは純アルミのブロック（半径１５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形）から機械加工で形成した。リフレクタの側面（反射面）は円錐状に４５°のテーパーで加工した。リフレクタは反射面を鏡面仕上げとし、底部の穴径は直径４ｍｍとし、ダレ部の高さｄ（図７参照）は１００μｍであった。これらの位置関係は前記式（Ａ）を満たすように設計された。

得られた半導体発光装置の発光出力を評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時で全放射束は１６０ｍＷを示した。

本発明は、上述の「正方形チップ、サブマウント、円形リフレクタ」の組合せ以外にも、「長方形チップ、サブマウント、円形リフレクタ」、「多角形チップ、サブマウント、円形リフレクタ」および「正方形チップ、サブマウント、楕円形リフレクタ」等の様々な組合せの半導体発光装置において効果を発揮する。図３は「長方形チップ、サブマウント、円形リフレクタ」の組み合わせの平面図を示した模式図であり、図４は「多角形チップ、サブマウント、円形リフレクタ」の組み合わせの平面図を示した模式図であり、図５は「正方形チップ、サブマウント、楕円形リフレクタ」の組み合わせの平面図を示した模式図である。また図８はリフレクタの側面を放物面とした場合の本発明の半導体発光装置の断面を示した模式図である。

（比較例１）
サブマウントの高さを１００μｍとしたことを除いて、実施例１と同様に半導体発光装置を作製した。従って、得られた反導体発光装置は前記式（Ａ）を満たしていない。得られた半導体発光装置を実施例１と同様に評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時の全放射束は１４０ｍＷで、実施例１の半導体発光装置より劣った。

（実施例２）
本実施例では、半導体側表面に２つの電極を形成したフェイスアップチップを用いた例を示す。図９は本実施例で作製した反導体発光装置の断面を示した模式図である。

半導体発光素子としてフェイスアップチップを用いたことを除いて、実施例１と同様に反導体発光装置を作製した。フェイスアップチップは以下の手順で作製したものを用いた。

ＭＯＣＶＤ装置を用いてサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなるＬＥＤエピタキシャル積層構造を形成する所から、ドライエッチングする所までは実施例１と同じである。エッチングした部分に発光素子の負電極、エッチングしていない表面に透光性材料のＩＴＯからなる発光素子の正電極を形成し、その一部にワイヤーボンディング用の電極パッドを形成した。電極パッドの最表面はＡｕである。その後、サファイア基板の裏面を厚さが約８０μｍまで研削・研磨し、フェイスアップタイプの１ｍｍ角チップに分割した。

サブマウントのサイズ、パッケージのサイズ、リフレクタのサイズは実施例１と全く同じであり、従ってそれらの位置関係は前記式（Ａ）を満たす。得られた半導体発光装置の発光出力を実施例１と同様に評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時で全放射束は１４０ｍＷを示した。

（比較例２）
サブマウントの高さを１００μｍとしたことを除いて、実施例２と同様に半導体発光装置を作製した。従って、得られた反導体発光装置は前記式（Ａ）を満たしていない。得られた半導体発光装置を実施例１と同様に評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時の全放射束は１２０ｍＷで、実施例２の半導体発光装置より劣った。

（実施例３）
本実施例では、上下電極型のフェイスアップチップを用いた例を示す。図１０は本実施例で作製した反導体発光装置の断面を示した模式図である。上下電極型の半導体発光素子は以下の手順で作製したものを用いた。

ＭＯＣＶＤ装置を用いてＳｉＣ基板上に実施例１と同様にＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなるＬＥＤエピタキシャル積層構造を形成した。このエピタキシャルウエハの表面にフォトリソグラフィー技術を用いて１ｍｍ角の発光素子となる様、パターニングした。ＳｉＣ基板の裏面全面に発光素子の負電極、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体がエピタキシャル成長された表面の一部に１ｍｍピッチで円形の正電極を形成し、その後、ＳｉＣ基板をダイサーによって切断し、上下電極タイプの１ｍｍ角チップを作製した。チップの厚さは４００μｍとした。従って、このチップはｈｃ＝４００μｍ、ｌｃ＝５００μｍである。

サブマウントのサイズはｈｓ＝５００μｍ、ｌｓ＝１３００μｍとした。リフレクタ形状は側面を放物面としたことを除いて実施例１と変わらず、ｄ＝１００μｍ、ｒ＝２０００μｍである。従って得られた半導体発光装置は前記式（Ａ）を満たす。得られた半導体発光装置の発光出力を実施例１と同様に評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時で全放射束は１２０ｍＷを示した。

（比較例３）
サブマウントの高さを１００μｍとしたことを除いて、実施例３と同様に半導体発光装置を作製した。従って、得られた反導体発光装置は前記式（Ａ）を満たしていない。得られた半導体発光装置を実施例１と同様に評価したところ、順方向電流３５０ｍＡ印可時の全放射束は８０ｍＷで、実施例３の半導体発光装置より劣った。

本発明の半導体発光装置は光取り出し効率が改良され、発光出力が高いので、例えば、有色インジケータ、屋外大型ディスプレイ、また、白色の携帯電話のバックライト光源、ヘッドライト、照明光源等として非常に有効であり、産業上の利用価値は極めて大きい。

実施例１で作製した半導体発光装置の断面を示した模式図である。 実施例１で作製した半導体発光装置の平面を示した模式図である。 長方形半導体発光素子を使用した本発明の半導体発光装置の平面の一例を示した模式図である。 多角形半導体発光素子を使用した本発明の半導体発光装置の平面の一例を示した模式図である。 楕円型リフレクタを使用した本発明の半導体発光装置の平面の一例を示した模式図である。 従来のリフレクタ付半導体発光装置の断面を示した模式図である。 本発明の半導体発光装置の断面の位置関係を示した模式図である。 放物面リフレクタを使用した本発明の半導体発光装置の断面の一例を示した模式図である。 実施例２で作製した半導体発光装置の断面を示した模式図である。 実施例３で作製した半導体発光装置の断面を示した模式図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ サブマウント
３ リフレクタ側面（反射面）
４ サブマウント上面（反射面）
５ リフレクタダレ部
６ 基板
７ 基板上面
８ 基板側電極
９ 半導体素子側電極
１０ ワイヤー

Claims (4)

1. 基板、該基板上に設けられたサブマウント、該サブマウント上に設けられた半導体発光素子、および該サブマウントと半導体発光素子の周囲に設けられたリフレクタからなり、サブマウント、発光素子およびリフレクタの位置および大きさが、該半導体発光素子の中心を通る基板に垂直な断面において下式（Ａ）の関係を満足していることを特徴とする半導体発光装置。
   ｒ−ｌｓ≦（ｈｓ−ｄ）×（ｌｓ−ｌｃ）／ｈｃ （Ａ）
   式（Ａ）において、ｒ、ｌｓおよびｌｃは、それぞれリフレクタのダレ部、サブマウントの外周および半導体発光素子の外周と半導体発光素子の中心との距離であり、ｈｓおよびｄはそれぞれサブマウントおよびリフレクタのダレ部の高さであり、ｈｃは半導体発光素子上面のサブマウント上面からの高さである。
2. リフレクタの側面が放物面であり、その焦点が半導体発光素子の中心である請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 半導体発光素子がフェイスアップ型である請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 半導体発光素子が上下電極型である請求項１または２に記載の半導体発光装置。

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