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JP5060172B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば液晶表示素子のバックライト、あるいは携帯用カメラのフラッシュ光源などに適用される半導体発光装置に関する。
従来、例えば、携帯機器に内蔵の液晶表示素子のバックライト、あるいは携帯機器に内蔵しているカメラのフラッシュ光源などに適用される、発光ダイオードによる所謂半導体発光装置が開発されている。図１２、図１３に従来の半導体発光装置の例を示す。
図１２の半導体発光装置１は、絶縁基板２に所要の配線パターン３が形成されたプリント配線基板４に発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤ素子という）５を実装し、その上に反射板を兼ねるケース６を接着層７を介して一体化して構成される。ケース６内はＬＥＤ素子５を覆うように透明樹脂８が充填される。配線パターン３は絶縁基板２の裏面側に延長して形成される。ＬＥＤ素子５は、一方の配線部３ａ上に配置され、そのＬＥＤ素子５の裏面電極（図示せず）と配線部３ａとを接続すると共に、ＬＥＤ素子５の上面電極（図示せず）を金属細線９を介して他方に配線部３ｂに接続するようにして実装される。この半導体発光装置１では、ＬＥＤ素子５からの発光する光のうち、直接上方に出る光以外の光、つまり横方向にでる光はケース６の内壁面の反射面６Ａで反射されて上方へ向かい、全体として発光光が上方に照射されるようになされる。
図１３の半導体発光装置１１は、リードフレーム１２を中にして樹脂を注型して基板１３と反射兼ケース１４を形成し、ケース１４内に臨むリードフレーム１２上にＬＥＤ素子１５を実装し、ＬＥＤ素子１５を所要の蛍光体層１６で覆うと共に、ケース１４内に透明樹脂１７を充填して構成される。この例では、青色ＬＥＤ素子１５と、赤及び黄の蛍光体を樹脂に含有した蛍光体層１６が用いられる。ＬＥＤ素子１５からの青色光で蛍光体層１６の赤蛍光体及び黄蛍光体を励起発光させることにより、白色光が得られる。この半導体発光装置１１においても、発光した光のうち、直接上方に出る光以外の横方向に出た光はケース１４の内壁面の反射面１４Ａで反射され、全体として白色光は上方に照射される。
その他、半導体発光装置としては、内部に正リード電極及び負リード電極が臨むように凹部を有するパッケージ成形体の凹部内に発光素子を配置し、凹部内を透光性樹脂で充填して成る発光装置（特許文献１参照）が提案されている。また、リードフレーム上にＬＥＤチップをマウントした後、高反射率の非透光性樹脂で成形されたランプハウスを形成し、次いでランプハウスのＬＥＤチップが配置された凹部内に透光性樹脂を充填して成る半導体発光装置が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−２８０６１６号公報 特開２００５−２９４７３６号公報
従来の半導体発光装置は、発光光を出す方向に応じて端子部を工夫した専用構造で作成されている。従って、少なくともトップビュー型とサイドビュー型の２種類が作られる。トップビュー型は、例えばフラッシュなどのように、基板取付け面に垂直な方向に光を出すように構成される。サイドビュー型は、例えば液晶表示装置のバックライトのように、導光板の側面から光を入れるために、基板取付け面に平行な方向に光を出すように構成される。
携帯機器の開発が進み益々半導体発光装置は細い構造を余儀なくされる。従来構造ではＬＥＤ素子のマウントが困難になるため、半導体発光装置として小型化、光取出し効率に限界がある。ここで、光取り出し効率は、数１に示すように定義する。
Figure 0005060172
本発明は、上述の点に鑑み、サイドビュー型とトップビュー型との兼用を可能にし、小さいチップサイズでも光取出し効率の向上を図り、より小型化を図った、半導体発光装置を提供するものである。
本発明の半導体発光装置は、平面的に見て長方形に形成された半導体発光素子の長手方向がリードフレームの長手方向に沿うように前記半導体発光素子が配置されている。そして、半導体発光素子の長手方向の両面に近接対向して、リードフレームの折り曲げ部による反射面が形成され、リードフレームの端子部を除き前記半導体発光素子と前記リードフレームが透光性樹脂モールド体で被覆されている。
更に、本発明の半導体発光装置は、リードフレームは、一枚の板を打ち抜いたものを折り曲げて形成されており、リードフレーム内の一部に凹部が形成されている。そして、リードフレームの端子部は、トップビュー型またはサイドビュー型を兼ねた端子部構造を有し、リードフレーム内の凹部には保護ダイオードが配置されている。なお、この保護ダイオードの上面は、リードフレームの半導体発光素子が配置された配置面以下になるように形成され、かつ、保護ダイオードの上面側の電極が、該保護ダイオードの耐圧を確保できる周辺領域を残して全面に形成されている。
本発明の半導体発光装置では、リードフレーム上に半導体発光素子を配置し、リードフレームの一部を折り曲げて反射面とし、透光性樹脂モールド体で被覆して構成されるので、部品点数、製造工数が削減され、構造が簡素化、小型化される。半導体発光素子からの光は、リードフレームの折り曲げ部で反射されて出射されるので、光取出し効率の向上いわゆる出射光の明るさが向上する。さらに、リードフレームの端子部を平面のまま、あるいは一部折り曲げることにより、トップビュー型又はサイドビュー型のいずれの構成にも対応できる。
本発明に係る半導体発光装置によれば、サイドビュー型とトップビュー型を兼用することができる。半導体発光素子が小さいチップサイズでも光取出し効率を向上することができる。部品点数が削減され、より小型化を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１に、本発明に係る半導体発光装置の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る半導体発光装置２１は、一部が反射板を兼ねるリードフレーム２２上に、半導体発光素子２３をマウントし、リードフレーム２２の端子部２２Ａを除いて、半導体発光素子２３とリードフレーム２２を含んで全体を透光性樹脂モールド体２５で被覆して構成される。半導体発光素子２３としては、例えば、ＬＥＤ素子を用いることができる。
リードフレーム２２は、半導体発光装置２１として完成された状態では、細長く形成され、長手方向（長軸方向）の両端を所要の角度、例えば傾斜角をもって内方に折り曲げ、その折り曲げ部を集光反射板２４として機能させる。この長手方向の両端の集光反射板２４は、内壁面が反射面２６となる。
また、リードフレーム２２の幅方向（短軸方向）の両端を所要の角度、例えば傾斜角をもって内方に折り曲げ、その折り曲げ部を集光反射板２４として機能させる。この幅方向の両端の集光反射板２４は、内壁面が反射面２７となる。
リードフレーム２２では、半導体発光素子２３の両電極を電気的に分離して接続するために、電気的に２分割されている。また、リードフレーム２２においては、集光反射板２４となる幅方向の両端部分を折り曲げ易くするために、後述の図１０に示すように、平らな端子部２２Ａ，２２Ｂと区分するための切込み部２８が設けられる。この切込み部２８により、一点鎖線ａからの折り曲げが正確に且つ容易になる。
透光性樹脂モールド体２５から外部に導出されたリードフレーム２２の端子部（いわゆる外部端子部）２２Ａは、トップビュー型又はサイドビュー型を兼ねた端子部構造を有している。すなわち、端子部２２Ａは、平面的に見てＬ字形状をなしている。この端子部２２Ａは、半導体発光素子２３からの発光する光の取出し方向に応じて対応できるようにＬ字状に形成している。例えば、導光板３０（図２参照）の側面に半導体発光装置２２を配置して半導体発光素子２３の発光光３５を導光板３０の側面から入射させる場合には、図２に示すように、Ｌ字形状の端子部２２Ａを例えば直角に折り曲げ加工し、その折り曲げられた端部（いわゆる発光方向と平行する部分）２９Ａの面をプリント配線基板３１に対する取付け面とする。これにより、半導体発光素子２３の発光光３５はプリント配線基板３１の取付け面に対して平行方向に取り出されて、導光板３０の側面から入射される。このときの半導体発光装置２１はサイドビュー型に構成される。
また、例えば図３に示すように、半導体発光素子２３の発光光３５をプリント配線基板３１の取付け面に対して垂直方向に取出す場合には、Ｌ字形状の端子部２２Ａの端部２９Ａを切断したり、或いはＬ字形状のままにして折り曲げずに、その表面あるいは裏面をプリント配線基板３１に対する取付け面とする。または、図２に示す端子部２２Ａの一部を折り曲げて、その発光方向に直角の面をもつ部分２９Ｂをプリント配線基板３１に対する取付け面とする。端部２９Ｂをこのように取り付けることにより、半導体発光素子２３の発光光３５は、プリント配線基板３１の取付け面に対して垂直方向に取り出される。このときの半導体発光装置２１はトップビュー型に構成される。
半導体発光装置２１は、リードフレーム２２の端子部２２Ａをプリント配線基板３１、例えばフレキシブルプリント基板に電気的に接続される。
リードフレーム２２は、反射と導電性の両方の特性を有する材料で形成されるもので、例えばＣｕ，４２アロイ（Ｆｅ系）、Ｃｕアロイ（真鍮）等の半導体分野で使われる材料で形成することができる。リードフレーム２２は反射板としての機能があり、このため、出来るだけ反射率の高い材料で形成することが望ましい。本例では、リードフレーム２２の基材（例えばＣｕ，４２アロイ（Ｆｅ系）、Ｃｕアロイ（真鍮）等）の表面に反射率の高い金属層４２をメッキあるいは蒸着により形成することができる（図４Ｂ参照）。この金属としては、白色を有するＡｇ，Ａｌ，Ｎｉなどを用いることができる。
半導体発光素子２３は、本例では青半導体発光素子２３Ｂ、赤半導体発光素子２３Ｒ、緑半導体発光素子２３Ｇの３つの半導体発光素子がリードフレーム２２上に長手方向に沿って配置される。図４では、青半導体発光素子２３Ｂを真ん中にし、分割された一方のリードフレーム素体２２Ｂに緑半導体発光素子２３Ｇがマウントされ、他方のリードフレーム素体２２Ｃ上に青半導体発光素子２３Ｂと赤半導体発光素子２３Ｒがマウントされる。これら３つの半導体発光素子２３Ｂ，２３Ｒ，２３Ｇは、金属細線３２、例えばＡｕ細線によるワイヤーボンディングにより直列接続されてリードフレーム２２に電気的に接続される。この３つの半導体発光素子２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂにより、白色光を取出すことができる。
半導体発４素子２３としては、例えば図５（図６のＡーＡ線上の断面図）に示すように、サファイヤ基板４４上にｎ型ＧａＮ層４５、活性層４６、ｐ型ＧａＮ層４７、キャップ層４８が積層され、キャップ層４８上にｐ側電極４９が形成され、選択エッチング除去されて表面に臨むｎ型ＧａＮ層４５上にｎ側電極５０が形成されて構成される。ｐ側電極４９及びｎ側電極５０の接続面を除いて表面全面には、絶縁膜によるパシベーション膜５１が被覆される。
半導体発光装置２１の大きさの具体的な一例としては、例えば、携帯電話等の携帯機器等に使われるときは、例えば、（長さＬ）２．８ｍｍ×（幅Ｗ）０．８ｍｍ×（高さＨ）１．２ｍｍとすることができる。これらの数値は、機械的な強度などの諸条件を踏まえて設定されている。近年、導光板の厚さは薄くなる傾向にあり、例えば幅Ｗが０．３ｍｍになった場合には、それに応じて半導体発光装置２１の幅Ｗも小さく設定することができる。
一方、本実施の形態では、より明るい光を得るためには、半導体発光素子２３を平面的に（上面から）見て長方形のチップ、いわゆる細長いチップで構成することが好ましい。図６に示すように、半導体発光素子２３は、リードフレームへの配列方向を長手方向とする長方形に形成する。そして、半導体発光素子（いわゆるＬＥＤ素子）２３の両端にｐ側電極４９とｎ側電極５０を形成する。図６において、ｐ側電極４９からチップ中央に延長する細い電極５３は、電流を均一に流す、つまり電流密度を均一にするためのものである。この長方形の半導体発光素子２３は、縦横比として、横１．０：縦１．２以上とすることが望ましい。
通常の半導体発光素子（ＬＥＤ素子）は、平面的に見て正方形に形成されている。半導体発光装置のより小型化に伴い、半導体発光素子の面積が小さくなり発光量の減少を招き、またリードフレームもサイズが小型化され、それによる半導体発光素子の配置などの変化により、有効反射率の低下と光吸収率の上昇で光取出し効率が低下する傾向になる。
上記のように、半導体発光素子２３の形状を長方形にし、その長手方向がリードフレーム２２の長手方向に沿うように配置することにより、正方形の半導体発光素子に比べて光取出し効率（いわゆる取り出された光の明るさ）が向上する。すなわち、リードフレーム上に半導体発光素子を配置し、リードフレームを折り曲げて形成された反射面が半導体発光素子の側面に近接して対向された構成を考える。半導体発光素子の平面的に見た面積が同じとすると、正方形の半導体発光素子の反射面に対向する長さに比べて、長方形の半導体発光素子の反射面に対向する長さの方が長くなる。このため、反射面で反射して取出す光量が正方形よりも長方形の方が多くなり、結果として、チップサイズを大きくしなくても、光取出し効率が向上し、より明るい光を取出すことができる。
一方、通常の正方形の半導体発光素子では、その中央に電極が形成される。この電極が光吸収体として作用する場合もある。チップサイズが小さくなるに従って、ワイヤーボンディングの面積を確保するために、電極の占める割合が大きくなり、光取出し効率の低減を招くことになる。これに対して、長方形の半導体発光素子２３では、図６に示すように、ｐ側電極４９及びｎ側電極５０が長方形の両端部側に形成されるので、電極による光吸収が減り、その分、光取出し効率が向上することになる。
同じＬＥＤチップ面積で比較したとき、長方形の場合は、正方形に比べて光取出し効率が３０％〜４０％向上する。半導体発光素子２３を小型化して行ったときに、長方形の半導体発光素子において光取出し効率が向上することは、発明者の検証によって初めて見い出されたことである。
上述の実施の形態に係る半導体発光装置２１によれば、リードフレーム２２の端子部２２Ａを平面的に見てＬ字状に形成し、サイドビュー型あるいはトップビュー型に応じて端子部２２Ａの形状を折り曲げ、あるいはそのままの状態とすることにより、１つの半導体発光装置２１でサイドビューとトップビューを共通に使用することが可能になる。すなわち、１つのパッケージでサイドビュー型とトップビュー型を兼ねることができる。
また、リードフレームの幅方向の両端を一部折り曲げて集光反射板２４とし、その反射面２７でＬＥＤ素子２３からの光を反射させることにより、半導体発光素子２３の大きさ、いわゆるチップサイズを大きくすることなく、光取出し効率の向上、いわゆる取出し光の明るさを向上させることができる。リードフレーム２２の長手方向の両端部側を折り曲げて集光反射板２４とし、その内壁面も反射面２６として機能するので、ここで反射した光も前方へ出射し、光取出し効率の向上に寄与する。さらに、一般構造と違い別個の集光反射板が不要になり、部品点数を削減し、製造工程数を削減することができる。
さらに、半導体発光素子２３の形状を長方形にすることにより、さらに光取出し効率を向上させることができる。
図７〜図８に、本発明に係る半導体発光装置の他の実施の形態を示す。ＬＥＤ素子による半導体発光装置においては、ＬＥＤ素子の静電保護のために、保護ダイオード、例えばチェナーダイオードが内蔵される。本実施の形態は、保護ダイオード内蔵の半導体発光装置に適用した場合である。本実施の形態は、同時に１つの単色ＬＥＤ素子を蛍光体層で被覆して白色光を取出すようにした場合である。
本実施の形態に係る半導体発光装置６１は、図７に示すように、リードフレーム２２上に単色の半導体発光素子、本例では青半導体発光素子２３Ｂを配置し、この青半導体発光素子２３Ｂを被覆するように赤、緑及び青の蛍光体を有する蛍光体層６７を形成し、さらに保護ダイオード６３を配置して構成される。
本実施の形態では、特に、リードフレーム２２の保護ダイオード６３を配置すべき領域に凹部６２を形成し、この凹部６２内に隠れるように表裏両面に電極６４Ａ，６４Ｂが形成された保護ダイオード６３が配置される。図８に示すように、凹部６２の深さＺは、保護ダイオード６３の上面の電極６４Ａの面と半導体発光素子２３が配置されるリードフレーム２２の面２２ｄとが同一面、もしくは保護ダイオード６３の上面の電極６４Ａの面がリードフレーム面２２ｄと同一面よりも下となる深さに設定される。その他の構成は前述の図１及び図４の実施の形態と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
上述の実施の形態に係る半導体発光装置６１によれば、青半導体発光素子２３Ｂからの光で蛍光体層６７の赤、緑及び青の蛍光体が励起発光し、白色光として取り出される。そして、本実施の形態では、保護ダイオード６３がリードフレーム２２の凹部６２内に隠れるように配置したことにより、半導体発光素子２３からの横方向の光が保護ダイオード６３により遮られない。したがって、半導体発光素子２３からの光が保護ダイオード６３で吸収されることがなく、その分、光取出し効率を向上することができる。その他、前述の実施の形態の半導体発光装置２１と同様の効果を奏する。
因みに、保護ダイオード６３のチップは通常シリコン（Ｓｉ）で形成されており、シリコン自身は黒色を呈している。このため、保護ダイオード６３を半導体発光素子２３と同じ面に配置すると、半導体発光素子２３から横方向に発する光は、保護ダイオード６３のチップに吸収され、光取出し効率が低下する恐れがある。しかし、本実施の形態で示すように、リードフレーム２２に凹部６２を形成し、この凹部６２内に保護ダイオード６３を配置することにより、保護ダイオード６３による光吸収が阻止され、横方向の光はリードフレーム２２端部の反射面２６で反射されて取り出される。従って、光取出し効率の更なる向上が図れる。
また、保護ダイオード６３としては、例えば図９に示すように、表裏面の例えばＡｌによる電極６４Ａ，６４Ｂ、特に表面側の電気接続ボンディング用の電極６４Ａの面積を大きく形成することが望ましい。すなわち、上記したようにＳｉ表面は黒色で光を吸収するので、光取出し効率を落とす虞れがある。しかし、このＡｌによる電極６４Ａを大きく形成し、電極６４Ａも反射板としての機能を持たせることにより、更なる光取出し効率を向上することができる。この場合、電極６４Ａとしては、保護ダイオード６３、例えばチェナーダイオードの耐圧８ｋＶを確保できる周辺領域６５を残して形成する。具体的には、電極端とチップ端との間隔、いわゆる電極を形成しない周辺領域６５の幅Ｘは、１０μｍ〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜２５μｍとすることができる。１０μｍより狭くすると、８ｋＶ耐圧、つまりｐｎ接合での耐圧が得られない。５０μｍを超えると、保護ダイオード６３でのシリコンが露出面積が増えて光吸収の確率が増えて好ましくない。保護ダイオード６３のチップ形状は、通常、正四角形である。
図７のリードフレーム２２に凹部６２を形成し、この凹部６２内に保護ダイオード６３を配置する構成は、図１及び図４で示す実施の形態に適用することができる。
本発明にかかる半導体発光装置の製造方法の一実施の形態を、図７の半導体発光装置の製造に適用した場合について説明する。
先ず、図１０Ａに示すように、リードフレーム２２を形成する。リードフレーム２２は、保護ダイオードが配置される部分に凹部６２を有し、長手方向の両端の端子部２２Ａから連続する連結部６８を介して外周部６９に連結された形状に形成されている。
次に、図１０Ｂに示すように、リードフレーム２２の周囲部分を鎖線位置で折り曲げて反射面を有する折り曲げ部を形成する。この状態で、一方のリードフレーム素体に青半導体発光素子２３Ｂを配置し、凹部６２内に保護ダイオード６３を配置する。
次に、図１０Ｃに示すように、例えば金属細線３２を介してワイヤーボンディングし、保護ダイオード６３、青半導体発光素子２３Ｂ及びリードフレーム２２の相互間を電気的に接続する。
次に、図１１Ｄに示すように、青半導体発光素子２３Ｂを覆って赤、緑及び青の蛍光体からなる蛍光体層６７を形成する。
次に、図１１Ｅに示すように、トランスファ成形法により端子部２２Ａを除いてリードフレーム２２、蛍光体層６７付き青半導体発光素子２３Ｂ及び保護ダイオード６３を、透光性樹脂でモールドする。すなわち、透光性樹脂モールド体２５で被覆する。
次に、リードフレーム２２の連結部６８を図１０Ａの鎖線６９の位置で切断する。そして、リードフレーム２２の外部に臨む端子部２２Ａを、サイドビュー型、あるいはトップビュー型に応じて折り曲げ加工する。このようにして、図１１Ｆに示す目的の半導体発光装置６１を得る。図１１Ｆはサイドビュー型に対応した半導体発光装置である。
このように、本実施の形態の半導体発光装置の製造方法は、工程の簡略化を図ることができる。なお、図１及び図４に示した半導体発光装置２１の製造方法も図１０及び図１１の工程に準じて製造することができる。
本発明に係る半導体発光装置の一実施の形態を示す概略斜視図である。 本発明に係る半導体発光装置をサイドビュー型に構成したときの、基板への取付け状態を示す説明図である。 本発明に係る半導体発光装置をトップビュー型に構成したときの、基板への取付け状態を示す説明図である。 Ａ，Ｂ及びＣ 本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の上面図、Ｂ−Ｂ線上の断面図及びＣ−Ｃ線上の断面図である。 本発明の半導体発光装置に適用される半導体発光素子の一例を示す断面図である。 本発明の半導体発光装置に適用される長方形の半導体発光素子の例を示す平面図である。 Ａ及びＢ 本発明に係る半導体発光装置の他の実施の形態を示す平面図及び断面図である。 他の実施の形態に係る半導体発光装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明に適用される保護ダイオードの例を示す平面図である。 Ａ〜Ｃ 本発明に係る半導体発光装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その１）である。 Ｄ〜Ｆ 本発明に係る半導体発光装置の製造方法の実施の形態を示す製造工程図（その２）である。 従来の半導体発光装置の一例を示す概略断面図である。 従来の半導体発光装置の他の例を示す概略断面図である。
符号の説明
２１・・半導体発光装置、２２・・リードフレーム、２２Ａ・・端子部、２３〔２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ〕・・半導体発光素子、２４・・集光反射板、２５・・光透性樹脂モールド体、２６，２７・・反射面、２８・・切込み部、２９Ａ，２９Ｂ・・端子部、３２・・金属細線、３５・・発光光、４２・・メッキあるいは蒸着による金属層、６１・・半導体発光装置、６２・・凹部、６３・・保護ダイオード、６７・・蛍光体層

Claims (4)

  1. 平面的に見て長方形に形成された半導体発光素子の長手方向がリードフレームの長手方向に沿うように前記半導体発光素子が配置され、
    前記半導体発光素子の長手方向の両面に近接対向して、前記リードフレームの折り曲げ部による反射面が形成され、
    前記リードフレームの端子部を除き前記半導体発光素子と前記リードフレームが透光性樹脂モールド体で被覆され、
    前記リードフレームは、一枚の板を打ち抜いたものを折り曲げて形成されており、前記リードフレーム内の一部に凹部が形成され、
    前記リードフレームの端子部は、トップビュー型またはサイドビュー型を兼ねた端子部構造を有し、
    前記リードフレーム内の凹部には保護ダイオードが配置され、前記保護ダイオードの上面は、前記リードフレームの半導体発光素子が配置された配置面以下に位置し、
    前記保護ダイオードの上面側の電極が、該保護ダイオードの耐圧を確保できる周辺領域を残して全面に形成されて成る
    ことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記リードフレームの端子部は平面的に見てＬ字状に形成されて成る
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記リードフレームに赤発光、緑発光及び青発光の３つの半導体発光素子が配置されて成る
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記リードフレームに、単色発光の半導体発光素子が配置され、前記単色発光の半導体発光素子が蛍光体層で被覆されて成る
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
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