JP2008218511A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色むらを解消すると共に、その光取り出し効率を改善すること。
【解決手段】発光層６ａの側壁面は、透光性のエポキシ製の１次封止材８によって封止されている。この１次封止材８の上面は、発光ダイオード６の上面と略連続的に一連に繋がっている。透光性のエポキシ製の２次封止材９は、１次封止材８の硬化後に注入されたものであり、堆積層１０は、その注入時に２次封止材９を構成するエポキシ剤の中に混入されていた蛍光体粒子が強制沈降されて非常に薄く高密度に堆積したもの（沈降堆積物）である。この堆積層１０の膜厚は、発光ダイオード６の上面中央部及び１次封止材８の上面谷底部の最も厚い各部分で約１０μｍである。また、蛍光体粒子としては、直径約２μｍ〜８μｍのＣｅ：ＹＡＧを用いた。この蛍光体は、発光ダイオード６が出力する青色光を吸収して黄色光に変換して発光するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、カップ状のケースの底に直接またはサブマウントを介して発光ダイオードが配置された半導体発光装置とその製造方法に関し、特にその蛍光体または光拡散体の粒子の配置形態に関する。

カップ状のケースの底に発光ダイオードが配置された半導体発光装置に蛍光体を用いた従来例としては、例えば下記の特許文献１〜３などに記載されているものが公知である。また、特にこれらの従来技術では、封止材を２段階に分けて充填することによって、蛍光体が配置される位置（高さ）に一定の制限を与えている点に特徴があり、これによって発光色の色むらの発現の緩和が図られている。
特開２００２−２２２９９６号公報 特開２００４−１１１８８２号公報 特開２００６−９３５４０号公報

しかしながら、これらの従来の半導体発光装置においては、蛍光体が、半導体チップの高さと略同等またはそれ以上の厚さを有する層状領域に幅広く分布しているので、光の出射方向によって、光の蛍光体に対する衝突回数（衝突確率）が大きく異なる部位があり、依然として色むらの原因となっている。また、蛍光体に対して複数回の衝突を繰り返す出射光については、光の取り出し効率の低下要因にもなるので、発光効率の観点からも、１出射光（１光子）の蛍光体に対する衝突回数は、０回または１回の何れかであることが望ましい。この衝突回数が０回の場合には、その出射光は１度も蛍光体に吸収されることなく、該発光ダイオードの自発光波長のまま外部に放出される。また、この衝突回数が１回の場合には、その出射光は１度だけ蛍光体に吸収されて、即ち１回だけ波長変換されて外部に放出される。
しかし、上記の従来装置においては、蛍光体の分布領域が上下方向に厚く、よって複数回または多数回蛍光体に衝突したり吸収されたりする出射光が多くなるため、上記の様な理想的な作用を上記の従来装置に対して期待することはできない。

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、半導体発光装置に生じる色むらを解消すると共に、その光取り出し効率を改善することである。

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、カップ状のケースの底に直接またはサブマウントを介して発光ダイオードが配置された半導体発光装置において、上記のケースの内部空間に固定された発光ダイオードの発光層よりも下の該発光ダイオードの周囲側方領域を封止する透光性の１次封止材と、この１次封止材の上に更に充填された透光性の２次封止材と、その２次封止材に混入された蛍光体粒子または光拡散体粒子の沈降堆積物からなる一連の堆積層とを設け、上記の蛍光体粒子または光拡散体粒子を、発光ダイオードの上面及び１次封止材の上面に、１粒子層乃至５粒子層の薄さで一連に堆積させることである。

ただし、上記の１次封止材によって、上記の発光層を側方より封止してもよいし、更には発光ダイオードの側壁全体を側方より封止してもよい。上記の１次封止材は、該発光ダイオードの少なくとも発光層よりも下の部位を封止するものであって、本発明の上記の構成は、発光層以上の上層部の側壁を、上記の１次封止材によって側方から封止することを妨げない。また、該発光ダイオードの上面の少なくとも一部、望ましくは全面は、上記の１次封止材では覆わないものとする。沈降堆積物からなる一連の層状の堆積層の最も望ましい積層構成は、それを極力光源（発光層）の近くに配置することである。
また、上記の蛍光体粒子または光拡散体粒子からなる上記の堆積層の平均的な膜厚は、１乃至２粒子層程度にできるだけ均一に積層することが最も望ましい。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の蛍光体粒子または上記の光拡散体粒子の直径を１μｍ以上３０μｍ以下にすることである。

また、本発明の第３の手段は、カップ状のケースの底に直接またはサブマウントを介して発光ダイオードが配置された半導体発光装置の製造方法において、上記のケースの内部空間に固定された発光ダイオードの発光層よりも下の該発光ダイオードの周囲側方領域に透光性の１次封止材を充填する第１の充填工程と、この１次封止材を硬化させる第１の硬化工程と、蛍光体粒子または光拡散体粒子が混入された透光性の２次封止材を、上記の発光ダイオードの上面及び硬化後の１次封止材の上面に充填する第２の充填工程と、強制的な遠心力によって、上記の蛍光体粒子または光拡散体粒子を該発光ダイオードの上面及び１次封止材の上面に、１粒子層乃至５粒子層の薄さで一連の層状に堆積させる強制沈降工程と、上記の２次封止材を硬化させる第２の硬化工程とを設けることである。

ただし、上記の１次封止材によって、上記の発光層を側方より封止してもよいし、更には上記の発光ダイオードの側壁全体を封止してもよい。上記の１次封止材は、該発光ダイオードの少なくとも発光層よりも下の部位を封止するものであって、本発明の上記の構成は、発光層以上の上層部の側壁を、上記の１次封止材によって側方から封止することを妨げない。また、該発光ダイオードの上面の少なくとも一部、望ましくは全面は、上記の１次封止材では覆わないものとする。
また、上記の蛍光体粒子または光拡散体粒子は、１乃至２粒子層程度にできるだけ均一に積層することが最も望ましい。
また、上記の強制沈降工程においては、例えば遠心分離機などを用いて、蛍光体粒子または光拡散体粒子を強制的に沈降させることが望ましい。

また、本発明の第４の手段は、上記の第３の手段の強制沈降工程において、上記の遠心力と重力との合力の方向を常時発光ダイオードの上面の法線方向に一致させる機構を有するスイング式の遠心分離機を用いることである。
また、本発明の第５の手段は、上記の第３または第４の手段において、上記の蛍光体粒子または上記の光拡散体粒子の直径を１μｍ以上３０μｍ以下にすることである。
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、１粒子層乃至５粒子層の薄さで一連の層状に堆積される上記の堆積層は綿密かつ略均一で非常に薄く形成され、殆どの出射光はその出射方向によらずこの堆積層を１回だけ通るので、この堆積層を構成する粒子（蛍光体粒子または光拡散体粒子）に対する殆どの発光（光子）の衝突回数（即ち、散乱または波長変換が起る回数）は、１回または０回に制限される。また、上記の堆積層は、発光層に非常に近く配置されるので、光束密度の最も高い領域に配置されることになる。このため、上記の堆積層は、上記の様に非常に薄く積層しても、それを構成する各粒子（蛍光体粒子または光拡散体粒子）に対する発光（光子）の衝突頻度は、それぞれ十分に高く確保することができる。

このため、上記の構成に従えば、必要かつ十分な波長変換作用または光散乱作用を得ることができ、その堆積層が蛍光体粒子を有する場合には、半導体発光装置が出力する光の色むらが解消されると共に、光の取り出し効率も改善される。また、その堆積層が光拡散体粒子を有する場合には、光拡散体粒子による必要以上の光の散乱が生じなくなるので、光の取り出し効率が改善される。
したがって、本発明の第１の手段によれば、半導体発光装置に生じる色むらを解消すると共に、その光取り出し効率を効果的に改善することができる。

また、その様に薄い堆積層を上記の所望の位置に綿密かつ略均一に非常に薄く積層するためには、強制的な遠心力を用いて粒子（蛍光体粒子または光拡散体粒子）を沈降させる上記の強制沈降工程の導入が有効である。即ち、本発明の第３の手段によれば、該発光ダイオードの上面及び１次封止材の上面に、上記の様に薄い堆積層を容易かつ確実に形成することができる。

また、本発明の第４の手段によれば、強制的な遠心力に基づく蛍光体粒子または光拡散体粒子の堆積状態を忠実に維持したまま、上記の２次封止材を硬化工程に移すことができるので、上記の堆積層を設計通り正確に形成することができる。

また、上記の蛍光体粒子または光拡散体粒子の直径は、希望する変換前後の光の波長や望ましい反射率などにもよるが、概ね１μｍ以上３０μｍ以下が望ましい（本発明の第２及び第５の手段）。この値が大き過ぎても小さ過ぎても、上記の堆積層を均一に積層することが難しくなるので、色むらの問題や光の取り出し効率の問題を同時に解決することが難しくなる。

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１に本実施例１の半導体発光装置２０の断面図を示す。この半導体発光装置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させることにより製造された、発光ピーク波長が４６０ｎｍの青色発光の発光ダイオード６を、リード電極２に固定されたアルミニウム（Ａｌ）製のサブマウント５の上にフェイスアップで半田付けしたものであり、発光ダイオード６の各電極は、ボンディングワイヤー７によって、金属製の各リード電極２，３に接続されている。これらの各リード電極２，３は、絶縁性の樹脂基板１に固定されており、リード電極２，３の上には、表面に反射剤４ａが塗布されたケース樹脂４が固定されている。ケース樹脂４の内側の側壁面が傾斜しているのは、反射剤４ａによる反射作用によって、出力光の取り出し効率をより向上させるためである。なお、樹脂基板１とケース樹脂４とは、一体に成形してもよい。

発光ダイオード６は、上記の様にしてケース樹脂４の内部空間に固定されており、発光層６ａの側壁面は、透光性のエポキシ製の１次封止材８によって封止されている。１次封止材８の上面が下に凸に湾曲しているのは、１次封止材８を構成する硬化前の液状のエポキシ剤を注入する際の該エポキシ剤の表面張力によるものである。この１次封止材８の上面は、発光ダイオード６の上面と略連続的に一連に繋がっている。透光性のエポキシ製の２次封止材９は、１次封止材８の硬化後に注入されたものであり、堆積層１０は、その注入時に２次封止材９を構成するエポキシ剤の中に混入されていた蛍光体粒子が強制沈降されて非常に薄く高密度に堆積したもの（沈降堆積物）である。この堆積層１０の膜厚は、発光ダイオード６の上面中央部及び１次封止材８の上面谷底部の最も厚い各部分で約１０μｍである。また、蛍光体粒子としては、直径約２μｍ〜８μｍのＣｅ：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光剤）を用いた。この蛍光体は、発光ダイオード６が出力する青色光を吸収して黄色光に変換して発光するものである。

以下、上記の半導体発光装置２０の製造方法について、堆積層１０の形成過程を中心に説明する。
まず最初に、リード電極２の上に固定されたサブマウント５の上面に、発光ダイオード６の裏面を半田付けし、各電極をボンディングワイヤー７によって、各リード電極２，３にそれぞれ電気的に接続する。これにより、発光ダイオード６は、ケース樹脂４の内部空間に固定される。

（第１の充填工程）
次に、上記の発光ダイオード６の周囲側方領域に透光性の液状のエポキシ剤（１次封止材８）を充填する。この充填は、発光ダイオード６の上面を完全には覆わない様に、より望ましくは発光ダイオード６の上面を殆ど覆わない様に行う。また、少なくとも発光層６ａよりも下側の半導体チップの側壁面については、それらを確実に覆う様に該エポキシ剤を充填する。

（第１の硬化工程）
次に、そのエポキシ剤（１次封止材８）を熱処理によって硬化させる。これによって、図１に示す１次封止材８の形状が得られる。１次封止材８の上面が下に凸なのは、第１の充填工程での液状のエポキシ剤の表面張力によるものである。

（第２の充填工程）
次に、前述の蛍光体粒子が混入された透光性の液状のエポキシ剤（２次封止材）を、発光ダイオード６の上面及び硬化後の１次封止材８の上面に充填する。この時、混入する蛍光体粒子の量は、図１の堆積層１０の厚さが１０μｍ以下になる様に調整することが望ましい。

（強制沈降工程）
次に、強制的な遠心力によって、上記の蛍光体粒子を発光ダイオード６の上面及び１次封止材８の上面に、１粒子層乃至２粒子層程度の薄さで一連の層状に堆積させる。例えば、重力と遠心力との合力が常時発光ダイオード６の上面の法線方向に向く様に構成されたスイング式の遠心分離機（図２）を用いて、１５００ｒｐｍの回転速度で１分間、蛍光体粒子に強制的に遠心力を与えることによって、１０μｍ程度またはそれ以下の膜厚の高密度な堆積層１０を一連の層状に成膜することができる。図２にスイング式の遠心分離機の動作概念図を示す。用いるスイング式の遠心分離機の処理物支持面の法線方向は、常に重力と遠心力との合力の方向と一致する様に構成されており、上記の様な高速回転時には、その合力と回転軸とが成す角θは略直角になる。即ち、その合力の方向は、回転軸上にある図中のスイング中心Ｃを中心として回動し、回転数が小さい時には角θも小さくなる。ただし、図中のスイング中心Ｃは、必ずしも回転軸上にある必要はなく、回転軸からずれた位置にあっても、同様の作用を得ることができる。

（第２の硬化工程）
最後に、その蛍光体粒子の堆積状態を維持したまま、上記のエポキシ剤（２次封止材９）を熱処理によって硬化させる。この様な堆積状態を忠実に維持するためにもスイング式の遠心分離機を用いることが望ましい。
以上の工程によって、図１に示す断面形状を有する半導体発光装置２０を得ることができる。

図３−Ａ，−Ｂに比較例の半導体発光装置３０，４０の模式的な断面図を示す。何れの装置においても、封止材（エポキシ剤）の充填工程は１回だけである。図３−Ａの半導体発光装置３０は、上記の半導体発光装置２０と同様に、発光ダイオード６に対してボンディングワイヤーによって給電するものであり、発光ダイオード６をケース樹脂４の内部空間に固定するまでは、上記の半導体発光装置２０と同様に製造された。その後の封止工程では、封止材９′に蛍光体粒子を適量混入攪拌して、その蛍光体粒子を沈降させずに封止材９′を硬化させたものである。

一方、図３−Ｂの半導体発光装置４０では、半導体発光装置３０と同じ工程にしたがって発光ダイオード６を封止したが、ただし、そのエポキシ剤の硬化処理前に堆積層１０′を構成する蛍光体粒子を強制的に沈降させた。なお、この沈降処理は、上記の半導体発光装置２０の強制沈降工程と同様に実施した。この強制沈降工程によって形成された該半導体発光装置４０の堆積層１０′の膜厚は、上記の半導体発光装置２０の堆積層１０の膜厚と同じ１０μｍである。

図４に、上記の半導体発光装置２０，３０，４０の各パッケージングから外部に放出される光出力を示す。即ち、このグラフは、各装置の発光出力の色度（Ｃｘ）に対する該放出光の強度を示したものであり、△印が半導体発光装置２０に関する測定点を示しており、◇印が半導体発光装置３０に関する測定点、□印が半導体発光装置４０に関する測定点をそれぞれ示している。このグラフより、半導体発光装置２０においては、従来の半導体発光装置３０に比べて、約５％の光出力の向上が見られる。

また、図５には、上記の半導体発光装置２０の堆積層１０の膜厚変更による各パッケージングの光出力の変化を示す。本グラフでは、堆積層１０の膜厚を１０μｍとした半導体発光装置２０に関する測定点を◇印で示し、堆積層１０の膜厚を３００μｍとした半導体発光装置２０に関する測定点を□印で、堆積層１０の膜厚を５００μｍとした半導体発光装置２０に関する測定点を△印でそれぞれ示している。

このグラフから分かる様に、堆積層１０の膜厚（堆積幅）は、極力薄い方が望ましく、用いた蛍光体の粒子の直径が約２μｍ〜８μｍであることから、この堆積層１０は、１乃至２粒子層程度に積層することが望ましいものと考えられる。また、この結果は、発光（光子）の蛍光体粒子に対する衝突回数が１回または０回であることが望ましいとする本願発明の思想にもよく一致している。即ち、堆積層１０の膜厚を１０μｍとした半導体発光装置２０においては、発光ダイオード６からの発光（光子）が堆積層１０を１回だけ通過し、その通過の際に、蛍光体粒子に対する衝突回数が１回または０回発生しており、その衝突確率は、場所によらずに概ね一定しているものと考えられる。
このため、堆積層１０の膜厚を１０μｍとした半導体発光装置２０においては、色むらが完全に払拭されており、パッケージングからの光出力も、図４、図５に示す様に、非常に高い値が得られた。

〔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、上記の実施例１では、堆積層１０の膜厚（粒子積層構造）は、１粒子層〜２粒子層程度としたが、目的の色度などに応じて、堆積層１０は１粒子層〜５粒子層程度に積層してもよい。蛍光体粒子または光拡散体粒子に対する発光（光子）の理想的な衝突回数は、色むらや発光効率の観点からは、前述の通り０回または１回であり、それを実現するためには１粒子層〜２粒子層程度の粒子積層構造が理想的だと考えられるが、目的の色度などに応じてこの衝突回数を増やすべく、１粒子層〜５粒子層程度に積層してもよい。この様な設定条件下においても、堆積層１０を略均一に積層することにより、本発明の作用に基づいて、色むらの発生を効果的に防止することができる。

（変形例２）
また、実施例１の半導体発光装置２０においては、上記の蛍光体粒子の代わりに、または上記の蛍光体粒子に加えて、光拡散体粒子を硬化前の液状の２次封止材９の中に混入してもよい。この場合にも、強制沈降作用に基づいて、光拡散体粒子からなる、または光拡散体粒子を含む堆積層１０を極めて薄く高密度に略均一に堆積させることができるので、その堆積層１０によって必要かつ十分な光拡散作用が得られる。その結果、その様な構成を採用した場合にも、本発明の作用に基づいて、必要回数以上の無駄な散乱による発光効率の低下を効果的に防止することができる。

（変形例３）
また、実施例１の半導体発光装置２０においては、フェイスアップで発光ダイオード６を固定したが、発光ダイオードの実装形態は、フェイスダウン型でもよい。また、発光ダイオードの各電極に対する給電形態についても任意でよく、必ずしもワイヤーボンディングする必要はない。また、半導体発光装置２０においては、封止材にエポキシを用いたが、透光性があり、ポッティング、強制沈降、及び硬化処理などが可能な樹脂ならば同様に封止材として適用することができる。したがって、例えばエポキシ樹脂の代わりにシリコン樹脂などを用いて発光ダイオードを封止してもよい。
なお、本発明は、上記の１次封止材と２次封止材との界面の位置や、その界面に積層すべき堆積層の形成形態などについて、前述の本発明の手段に記載した様に規定するものであるが、その界面以外の部分に関する各封止材の形状は任意でよい。また、上記の１次封止材と２次封止材以外の封止材を用いてもよく、それらの封止材に係わる封止形態などについては任意でよい。

本発明の半導体発光装置は、各種の照明装置や情報を表示するインジケータやドットマトリックス表示が可能な画像表示装置や、或いはイルミネーションなどに用いることができる。

実施例１の半導体発光装置２０の断面図 スイング式の遠心分離機の動作概念図 比較例の半導体発光装置３０の断面図 比較例の半導体発光装置４０の断面図 半導体発光装置２０，３０，４０の各パッケージング効率を示すグラフ 堆積層１０の膜厚変更によるパッケージング効率の変化を示すグラフ

符号の説明

５ ： サブマウント
６ ： 発光ダイオード
６ａ： 発光層
８ ： １次封止材
９ ： ２次封止材
１０ ： 堆積層
２０ ： 半導体発光装置

Claims (5)

1. カップ状のケースの底に直接またはサブマウントを介して発光ダイオードが配置された半導体発光装置において、
   前記ケースの内部空間に固定された前記発光ダイオードの発光層よりも下の該発光ダイオードの周囲側方領域を封止する透光性の１次封止材と、
   前記１次封止材の上に更に充填された透光性の２次封止材と、
   前記２次封止材に混入された蛍光体粒子または光拡散体粒子の沈降堆積物からなる一連の堆積層とを有し、
   前記蛍光体粒子または前記光拡散体粒子は、前記発光ダイオードの上面及び前記１次封止材の上面に、１粒子層乃至５粒子層の薄さで一連に堆積していることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記蛍光体粒子または前記光拡散体粒子の直径は、１μｍ以上３０μｍ以下であ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. カップ状のケースの底に直接またはサブマウントを介して発光ダイオードが配置された半導体発光装置の製造方法において、
   前記ケースの内部空間に固定された前記発光ダイオードの発光層よりも下の該発光ダイオードの周囲側方領域に透光性の１次封止材を充填する第１の充填工程と、
   前記１次封止材を硬化させる第１の硬化工程と、
   蛍光体粒子または光拡散体粒子が混入された透光性の２次封止材を、前記発光ダイオードの上面及び硬化後の前記１次封止材の上面に充填する第２の充填工程と、
   強制的な遠心力によって、前記蛍光体粒子または前記光拡散体粒子を、前記発光ダイオードの上面及び前記１次封止材の上面に、１粒子層乃至５粒子層の薄さで一連の層状に堆積させる強制沈降工程と、
   前記２次封止材を硬化させる第２の硬化工程と
   を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
4. 前記強制沈降工程において、前記遠心力と重力との合力の方向を常時前記発光ダイオードの上面の法線方向に一致させる機構を有するスイング式の遠心分離機を用いることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置の製造方法。
5. 前記蛍光体粒子または前記光拡散体粒子の直径は、１μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体発光装置の製造方法。

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