JP2014241341A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率の向上を可能とする半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１ａは、設置部上に設けられた発光素子１０と、発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂１５と、発光素子と蛍光体含有樹脂との間に設けられ、蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、を有する。半導体装置は、設置部と、上面及び側面が光反射材に覆われたシリコン基板と、シリコン基板上に光反射材を介して設けられた発光部とを有し、設置部上に設けられた発光素子と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等の半導体発光素子を搭載した半導体発光装置は、液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる。

半導体発光装置は、例えば、半導体発光素子がリードフレームに固定され樹脂等で封止される、「表面実装型」と呼ばれる構造を有する。その際、半導体発光装置は、半導体発光素子から生じた光がリードフレームや半導体発光素子を構成する基板等に当たり、光吸収（損失）が発生する場合がある。半導体発光装置は、光取り出し効率等の点から半導体発光装置内での光吸収が少ないことが望ましい。

特開２０１０−２３２２０３号公報 特開２０１２−９４７０号公報

本発明が解決しようとする課題は、光取り出し効率の向上を可能とする半導体発光装置を提供することである。

実施形態の半導体装置は、設置部上に設けられた発光素子と、前記発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂と、前記発光素子と前記蛍光体含有樹脂との間に設けられ、前記蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、を有する。

実施形態の半導体装置は、設置部と、上面及び側面が光反射材に覆われたシリコン基板と、前記シリコン基板上に前記光反射材を介して設けられた発光部とを有し、前記設置部上に設けられた発光素子と、を有する。

第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａの断面図。 第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａのＡ部における、半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２の断面図。 第１の実施形態に係る半導体発光素子１０から放射される光の進行方向を示す模式図。 比較例に係る半導体発光装置１ｂの断面構造及び半導体発光素子１０から放射される光の進行方向を示す模式図。 第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃの断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、本実施形態は本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａの構造について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａの断面図、図２は第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａのＡ部における、半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２の断面図を示している。

半導体発光装置１ａは半導体発光素子（発光素子）１０、リードフレーム（設置部）１１ａ、リードフレーム（設置部）１１ｂ、フィラ含有樹脂（光反射材）１２、ツェナーダイオード（保護素子）１３、封止樹脂１４、蛍光体含有樹脂１５、及びワイヤ３０を有する。また、半導体発光素子１０はシリコン基板４０、金属層（光反射材）４１、Ｐ型半導体層４２、発光層４３、及びＮ型半導体層４４を有する。

半導体発光素子１０の構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板４０上に光反射層となる金属層４１が設けられる。金属層４１上には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるＰ型半導体層４２とＮ型半導体層４４が順に設けられ、Ｐ型半導体層４２とＮ型半導体層４４との間には発光層４３が形成される。なお、Ｐ型半導体層４２とＮ型半導体層４４の形成位置は逆でもよい。また、本実施形態の半導体発光素子１０ではシリコン基板４０を用いたが、これに限らず、後述する半導体発光装置１ａの効果を得る際に、他の光吸収半導体基板を用いても実施は可能である。なお、後述する半導体発光装置１ａの光取り出し効率を上昇させる目的で、半導体発光素子１０の表面は粗面化されていても良い（図示せず）。

リードフレーム１１ａ上（リードフレーム１１ａの表面）に、はんだ（図示せず）等を介して半導体発光素子１０が設置される。その際、半導体発光素子１０のシリコン基板４０側がリードフレーム１１ａ上に設置される。すなわち、本実施形態ではＮ型半導体層４４が半導体発光素子１０の上面となる。

リードフレーム１１ｂ上には、ツェナーダイオード１３がはんだ等を介して設置される。ツェナーダイオード１３は、それぞれシリコンから成るＰ型半導体層５０とＮ型半導体層５１とで構成される。また、ツェナーダイオード１３はＮ型半導体層５１が上面となるようにリードフレーム１１ｂ上に設置される。なお、リードフレーム１１ａ及びリードフレーム１１ｂは、例えば、銅等の金属材料で構成され、後述するフィラ含有樹脂１２との密着性や反射率を上げるために銀（Ａｇ）等がメッキされる場合がある。そして、ツェナーダイオード１３は半導体発光素子１０と逆並列接続される。なお、半導体発光素子１０とツェナーダイオード１３との接続にはワイヤ３０には金（Ａｕ）等が用いられるが、銀等でも実施は可能である。

フィラ含有樹脂１２は、半導体発光素子１０のシリコン基板４０の側面を覆い、且つ半導体発光素子１０の上面（Ｎ型半導体層４４）が露出するように設けられる。この場合、フィラ含有樹脂１２は金属層４１の側面、またはＮ型半導体層４４の側面まで覆うように設けられていてもよい。すなわち、フィラ含有樹脂１２は半導体発光素子１０の側面全体を覆っていてもよい。半導体発光素子１０の側面からの光取り出し効率を考慮すると、Ｎ型半導体層４４、発光層４３、及びＰ型半導体層４２の側面は、フィラ含有樹脂１２に覆われずに、露出していることが望ましい。

また、フィラ含有樹脂１２はツェナーダイオード１３を覆うようにリードフレーム１１ａ及びリードフレーム１１ｂ上に設けられる。その際、フィラ含有樹脂１２は表面張力を利用してリードフレーム１１ａまたはリードフレーム１１ｂに設けられ、フィラ含有樹脂１２の上面６０は曲線形状を有する。例えば、フィラ含有樹脂１２の上面６０は、凹型の放物曲線形状を有し、凹部の底面部には半導体発光素子１０が位置する。

フィラ含有樹脂１２は、シリコンを含有する高分子化合物である透明なシリコーンと、光反射材となるチタニア（ＴｉＯ_２）の微粒子（フィラ）との混合物である。なお、フィラは光反射性を有していれば良く、チタニア以外でも実施は可能である。また、チタニア含有量は、例えば、１０ｗ％〜７０ｗ％である。また、本実施形態ではフィラ含有樹脂１２はフィラを含む樹脂を用いたが、光を反射する材料を適宜適用することが可能であり、非導電性の金属酸化物等化合物材料等でもよい。

蛍光体含有樹脂１５が半導体発光素子１０とフィラ含有樹脂１２上に設けられる。例えば、図１に示すように、蛍光体含有樹脂１５はフィラ含有樹脂１２の凹部を埋め込むように設けられる。そして、蛍光体含有樹脂１５の上面を露出させながら、リードフレーム１１ａ、リードフレーム１１ｂ、及びフィラ含有樹脂１２は封止樹脂１４によって封止される。なお、後述する半導体発光装置１ａの光取り出し効率を上昇させる目的で、蛍光体含有樹脂１５の表面は粗面化されていても良い（図示せず）。

なお、フィラ含有樹脂１２及び蛍光体含有樹脂１５の母体となる樹脂には、例えば、フェニル系シリコーン樹脂、ジメチル系シリコーン樹脂、またはアクリル系樹脂等が用いられる。

半導体発光装置１ａは以上のような構造を有する。

ここで、半導体発光素子１０の形成方法について説明する。Ｐ型半導体層４２及びＮ型半導体層４４は成長用基板（例えば、シリコン基板。図示せず。）上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によりエピタキシャル成長させて形成されるが、スパッタ等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等でも形成は可能である。そして、金属層４１がスパッタ等でＰ型半導体層４２上に形成され、シリコン基板４０が金属層４１上に貼り付けられ、ウエットエッチング等により成長用基板が除去される。その後Ｎ型半導体層４４、発光層４３、Ｐ型半導体層４２の一部がエッチングにより除去され、金属層４１の表面の一部が露出する。そして、Ｎ型半導体層４４上に第１の電極が、露出した金属層４１上に第２の電極が形成される。以上の工程により、半導体発光素子１０は形成される。

次に、半導体発光装置１ａの動作について図３を用いて説明する。図３は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０から放射される光の進行方向を示す模式図を示している。半導体発光素子１０に順方向に電圧を印加した際、発光層４３から光Ｌが放出される。本実施形態の半導体発光装置１ａの場合、Ｐ型半導体層４２と電気的に接続されているリードフレーム１１ａを陽極、Ｎ型半導体層４４と電気的に接続されているリードフレーム１１ｂを陰極として正電圧を印加した際、半導体発光素子１０の発光層４３は発光する。半導体発光素子１０からは、例えば、青色光が発生する。

発光層４３から放出された光Ｌの一部は下方向、すなわちシリコン基板４０の方向へ進むが、金属層４１によって反射されるため、シリコン基板４０で吸収されず、半導体発光装置１ａの上面から取り出される。

半導体発光装置１ａの外部に向かう光Ｌは、そのまま外部（空気）へ放出、蛍光体含有樹脂１５内部で例えば黄色光への波長変換、蛍光体含有樹脂１５内部における蛍光体での散乱（例えば、黄色光）、あるいは蛍光体含有樹脂１５と外部との界面における反射等が生じる。波長変換されて３６０°に広がる光Ｌや、蛍光体により散乱された光Ｌ、及び蛍光体含有樹脂１５界面で反射された光Ｌの一部は、リードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む。リードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む光Ｌは、フィラ含有樹脂上面６０で反射され、半導体発光装置１ａの外部へ再度進む。

ツェナーダイオード１３は、半導体発光素子１０と逆方向並列に接続されおり、半導体発光装置１ａにサージ電流や静電気が流れ込んだ際に、半導体発光装置１ａが破壊されることを防ぐ役割を有する。

以上のように、半導体発光素子１０から発生した光Ｌは、半導体発光装置１ａ外部へと放出される。

半導体発光装置１ａの効果について、比較例に係る半導体発光装置１ｂを用いて説明する。図４は、比較例に係る半導体発光装置１ｂの断面構造及び半導体発光素子１０から放射される光の進行方向を示す模式図を示している。

比較例に係る半導体発光装置１ｂにおける、第１の実施形態の半導体発光装置１ａと異なる点は、フィラ含有樹脂１２が設けられていない点である。その他の構成及び基本的な動作については半導体発光装置１ａと同様であるので省略する。

半導体発光装置１ｂの場合、蛍光体含有樹脂１５内部で例えば黄色光への波長変換、蛍光体含有樹脂１５内部における蛍光体での散乱、あるいは蛍光体含有樹脂１５と外部との界面における反射等などにより、リードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む半導体発光素子１０から生じた光Ｌが、シリコン基板４０やツェナーダイオード１３に照射される。すなわち、蛍光体含有樹脂１５内部で散乱された黄色光、及び蛍光体含有樹脂１５と外部との界面で反射された青色光が、シリコン基板４０やツェナーダイオード１３に照射される。

ここで、シリコン基板４０やツェナーダイオード１３を構成するシリコンは、光を吸収しやすい性質を有する。よって、シリコン基板４０やツェナーダイオード１３に照射された光Ｌの一部は、シリコン基板４０やツェナーダイオード１３に吸収されてしまう。半導体発光素子１０から発生した光Ｌの一部が、半導体発光装置１ｂ内部で消失してしまうため、半導体発光装置１ｂ全体としての光取り出し効率が低下する可能性がある。

本実施形態に係る半導体発光装置１ａの場合、前述したように、蛍光体含有樹脂１５内部での反射によりリードフレーム１１ａやリードフレーム１１ｂの方向に進む光Ｌは、フィラ含有樹脂１２内のフィラで再反射されて半導体発光装置１ａの外部へ放出される。従って、光Ｌがシリコン基板４０やツェナーダイオード１３に吸収されることを抑制することが可能となる。すなわち、半導体発光装置１ｂと比較した際、半導体発光装置１ａは光取り出し効率が高くすることができる。なお、フィラ含有樹脂上面６０近傍のフィラ含有濃度が、リードフレーム１１ａ側のフィラ含有樹脂１２近傍のフィラ含有濃度よりも大きい場合、上記効果は顕著となる。

また、フィラ含有樹脂１２は凹型の放物曲線形状を有するため、光Ｌを半導体発光素子１０の上部へと効率良く取り出すことも可能となる。すなわち、半導体発光装置１ａの光取り出し面における均一性を向上させる効果も有する。

また、半導体と樹脂との密着性よりも、樹脂同士の密着性の方が高い。よって、フィラ含有樹脂１２を設けることにより、実質的に半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５との密着性を向上させることが可能となる。その結果、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５の剥離による輝度低下や、半導体発光装置１ａの信頼性低下を抑制することが可能となる。

フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりも線膨張係数が小さくなるようにそれぞれの材料を用いた場合、蛍光体含有樹脂１５が半導体発光素子１０を圧縮する方向に力が働く。その結果、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５の剥離による輝度低下や、半導体発光装置１ａの信頼性低下を抑制することが可能となる。

また、銀の光反射率は約９０％、金の光反射率は約６０％である。すなわち、銀の光反射率は金の光反射率よりも高い。よって、ワイヤ３０に銀を用いた場合、半導体発光装置１ａの光取り出し効率を更に向上させることが可能となる。

また、フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりも弾性率が低くなるようにそれぞれの材料を用いた場合、外部応力による割れを防ぐことができ、半導体発光装置１ａの周辺部における機械的強度を向上させることが可能となる。

また、フィラ含有樹脂１２は無機材料であるチタニアを含んでいるため、蛍光体含有樹脂１５よりも熱伝導率が大きくなる。よって、半導体発光装置１ａの放熱性を向上させることが可能となる。

さらにまた、フィラ含有樹脂１２が蛍光体含有樹脂１５よりもチクソ性が大きくなるようにそれぞれの材料を用いた場合、フィラ含有樹脂１２を形成時、フィラ含有樹脂１２の形状は安定させることが可能となる。そのため、フィラ含有樹脂１２を厚く均一に形成できるため、蛍光体含有樹脂１５を相対的に薄く、且つ均一に形成でき、半導体発光装置１ａの輝度を安定させることができる。

（第２の実施形態）
以下に、図５を用いて第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃについて説明する。図５は、第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃの断面図を示している。なお、第２の実施形態について、第１の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について説明する。

半導体発光装置１ｃの構造について説明する。図５は、第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃの断面構造を示す断面図を示している。第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃと、第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａとが異なる点は、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１２との間に透明樹脂１６が設けられている点である。すなわち、リードフレーム１１ａ及びリードフレーム１１ｂ上には、フィラ含有樹脂１２、透明樹脂１６、及び蛍光体含有樹脂１５で構成される三層構造となっている。透明樹脂１６には例えば、シリコーンが用いられる。

なお、半導体発光装置１ｃの動作については半導体発光装置１ａと同様であるため省略する。

半導体発光装置１ｃの効果について説明する。第１の実施形態に係る半導体発光装置１ａの説明において述べたように、例えば青色光である半導体発光素子１０から生じた光Ｌの一部は、蛍光体含有樹脂１５内において黄色光に波長変換された後の散乱や、蛍光体含有樹脂１５と外部との界面における反射により半導体発光素子１０へ戻る。シリコン基板４０よりは小さいが、Ｐ型半導体層４２とＮ型半導体層４４を構成する窒化ガリウムも光を吸収する性質を有する。窒化ガリウムに照射された光は、窒化ガリウム内における結晶欠陥で吸収され、主に短波長である青色光が吸収される。また、半導体発光素子１０へ戻る光Ｌは金属層４１で完全には反射されない。

第２の実施形態に係る半導体発光装置１ｃの場合、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５との間に透明樹脂１６を設けている。そのため、半導体発光装置１ｃは、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５間の距離を大きくすることとなり、半導体発光素子１０に戻る蛍光体含有樹脂１５内で散乱または反射される光Ｌの量を、半導体発光装置１ａの場合よりも実質的に少なくすることが可能となる。従って、半導体発光素子１０で吸収される光Ｌを、さらに減少することが可能となり、光取り出し効率を上昇させることが可能となる。また、半導体発光素子１０と蛍光体含有樹脂１５間の距離を大きくしているため、半導体発光素子１０から出射される光が蛍光体含有樹脂１５表面で集中することなく広がり、分散され、蛍光体での光吸収による発熱を低減することが可能となる。

また、半導体発光素子１０の近傍に蛍光体含有樹脂１５が形成されている場合、半導体発光素子１０近傍の蛍光体に青色光が集中的に当たってしまい、外部に取り出される光に色割れが生じる可能性がある。しかし、半導体発光装置１ｃの場合、半導体発光素子１０の直上に透明樹脂１６が設けられているため、半導体発光素子１０から生じた青色光は蛍光体含有樹脂１５に均一に当たる。従って、半導体発光装置１ｃの外部に取り出される光の色割れを抑制することが可能となる。

また、半導体発光装置１ｃは半導体発光装置１ａと同様の効果も有する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ａ，１ｂ…半導体発光装置、１０…半導体発光素子（発光素子）、１１ａ，１１ｂ…リードフレーム（設置部）、１２…フィラ含有樹脂（光反射材）、１３…ツェナーダイオード（保護素子）、１４…封止樹脂、１５…蛍光体含有樹脂、１６…透明樹脂、３０…ワイヤ、４０…シリコン基板、４１…金属層、４２，５０…Ｐ型半導体層、４３…発光層、４４，５１…Ｎ型半導体層、６０…フィラ含有樹脂上面

Claims (9)

1. 設置部上に設けられた発光素子と、
   前記発光素子上に設けられた蛍光体含有樹脂と、
   前記発光素子と前記蛍光体含有樹脂との間に設けられ、前記蛍光体含有樹脂の下面全体と接する透明樹脂と、
   を有する半導体発光装置。
2. 前記発光素子は、上面及び側面が光反射材に覆われたシリコン基板と、前記シリコン基板上に前記光反射材を介して設けられた発光部とを有する請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 設置部と、
   上面及び側面が光反射材に覆われたシリコン基板と、前記シリコン基板上に前記光反射材を介して設けられた発光部とを有し、前記設置部上に設けられた発光素子と、
   を有する半導体発光装置。
4. 前記光反射材は、前記シリコン基板の前記上面を覆う金属層と、前記シリコン基板の前記側面を覆う樹脂層と、である請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体発光装置。
5. 前記樹脂層は光反射性を有するフィラを含有する請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記樹脂層は、前記シリコン基板の前記上面と平行な方向において、前記シリコン基板から離れるに従って、前記樹脂層の上面と前記設置部との距離が大きくなる請求項４または５に記載の半導体発光装置。
7. 前記発光素子と離間し、且つ前記樹脂層の内部に設けられた保護素子をさらに有する請求項４乃至６のいずれか一に記載の半導体発光素子。
8. 前記発光素子と前記保護素子を電気的に接続し、且つ銀によって構成されるワイヤをさらに有する請求項７に記載の半導体発光装置。
9. 前記樹脂層の前記上面における前記フィラの含有濃度は、前記樹脂層の前記設置部側よりも大きい請求項５乃至８のいずれか一に記載の半導体発光装置。

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