(57)【要約】【課題】光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光ダイオードを提供すること。【解決手段】発光層を表面に備えたチップ（１２）と、チップの裏面（１２ｂ）とチップを支持するリードフレーム（１１）との間に透光性を有する樹脂で接着され、且つ発光層から放出された光を透過させる透光性部材（１３）と、を備える構成とした。この構成によれば、発光層を備えるチップの裏面側に、発光層から出射される光を透過させる透光性部材を備えるので、リードフレームとの界面で反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、光の取り出し効率を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を表面に備えたチップと、該チップの裏面と該チップの裏面を支持固定するリードフレームとの間に透光性を有する樹脂で接着され且つ該発光層から出射された光を透過する透光性部材と、から少なくとも形成されていること、を特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
該チップは、サファイア基板の上にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されて成ること、を特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、レーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等の発光デバイスが実用化されている。これらの発光デバイスは、通常、電圧の印加によって光を放出する発光層が形成された発光チップを備える。発光チップは、発光層を含む複数の半導体層の積層体を結晶成長用の基板の表面に形成した後、当該基板を任意に分割することで得られる。
【０００３】
例えば、分割予定ラインで区画されたサファイア基板の表面に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を順にエピタキシャル成長させ、ｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層のそれぞれと接続される電極を形成する。その後、サファイア基板を分割予定ラインに沿って分割すれば、青色や緑色の光を放つ発光ダイオード用の発光チップが得られる。
【０００４】
この発光チップの裏面側（サファイア基板側）を基台となるリードフレームに固定し、発光チップの表面側（積層体側）をレンズ部材で覆うことにより、発光ダイオードは形成される。このような発光ダイオードでは、輝度の向上が重要な課題とされており、これまでにも光の取り出し効率を高めるための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電圧の印加によって発光層で生じる光は、主に、発光層を含む積層体の２つの主面（表面及び裏面）から放出される。例えば、積層体の表面（レンズ部材側の主面）から放出された光は、レンズ部材等を通じて発光ダイオードの外部に取り出される。一方で、積層体の裏面（サファイア基板側の主面）から放出された光は、サファイア基板を伝播し、その一部は、サファイア基板とリードフレームとの界面等で反射して積層体に戻る。
【０００７】
例えば、切削時の加工性向上等を目的として発光チップに薄いサファイア基板を用いると、積層体の裏面と、サファイア基板及びリードフレームの界面との距離は短くなる。この場合、サファイア基板とリードフレームとの界面で反射して積層体に戻る光の割合は、サファイア基板が厚い場合と比較して高くなる。積層体は光を吸収するので、このように積層体に戻る光の割合が高い発光チップを使用すると、発光ダイオードの光の取り出し効率は低下してしまう。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発光ダイオードは、発光層を表面に備えたチップと、該チップの裏面と該チップの裏面を支持固定するリードフレームとの間に透光性を有する樹脂で接着され且つ該発光層から出射された光を透過する透光性部材と、から少なくとも形成されていること、を特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、発光層を備えるチップの裏面側に、発光層から出射される光を透過させる透光性部材を備えるので、リードフレームとの界面で反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、光の取り出し効率を高めることができる。
【００１１】
本発明の発光ダイオードにおいて、該チップは、サファイア基板の上にＧａＮ半導体層から成る発光層が積層されても良い。この構成によれば、青色や緑色の光を放つ発光ダイオードにおいて、光の取り出し効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。
【図３】比較例に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。
【図４】輝度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。図１及び図２に示すように、発光ダイオード１は、基台となるリードフレーム１１と、リードフレーム１１に支持固定される発光チップ（チップ）１２とを備えている。
【００１５】
リードフレーム１１は、金属等の材料で円柱状に形成されており、一方の底面に相当する裏面側には、導電性を有する２本のリード部材１１１ａ，１１１ｂが設けられている。リード部材１１１ａ，１１１ｂは互いに絶縁されており、それぞれ発光ダイオード１の正極、負極として機能する。このリード部材１１１ａ，１１１ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。
【００１６】
リードフレーム１１の他方の底面に相当する表面１１ａには、互いに絶縁された２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続端子１１２ａとリード部材１１１ａとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。また、接続端子１１２ｂとリード部材１１１ｂとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。このため、接続端子１１２ａ，１１２ｂの電位は、それぞれ、リード部材１１１ａ，１１２ｂの電位と同程度になる。
【００１７】
リードフレーム１１の表面１１ａにおいて、接続端子１１２ａと接続端子１１２ｂとの間の位置には、発光チップ１２が配置されている。発光チップ１２は、平面形状が矩形状のサファイア基板１２１と、サファイア基板１２１の表面１２１ａに設けられた積層体１２２とを備えている（図２）。積層体１２２は、ＧａＮ系の半導体材料を用いて形成される複数の半導体層（ＧａＮ半導体層）を含む。
【００１８】
積層体１２２は、電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）、発光層となる半導体層（例えば、ＩｎＧａＮ層）、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）を順にエピタキシャル成長させることで形成される。また、サファイア基板１２１には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のそれぞれと接続され、積層体１２２に電圧を印加する２個の電極（不図示）が形成される。なお、これらの電極は、積層体１２２に含まれても良い。
【００１９】
サファイア基板１２１の裏面１２１ｂ側（すなわち、発光チップ１２の裏面１２ｂ側）には、直方体状の透光性部材１３が配置されている。透光性部材１３は、ガラスや樹脂等の材料で形成されており、積層体１２２の発光層から放射される光を透過させる。透光性部材１３の表面１３ａの面積は、サファイア基板１２１の裏面１２１ｂの面積より大きくなっている。また、透光性部材１３は、サファイア基板１２１と同等以上の厚みを有することが望ましい。
【００２０】
透光性部材１３の表面１３ａは、透光性を有する樹脂（不図示）でサファイア基板１２１の裏面１２１ｂ（すなわち、発光チップ１２の裏面１２ｂ）の全体に接着されている。また、透光性部材１３の裏面１３ｂは、透光性を有する樹脂（不図示）でリードフレーム１１の表面１１ａに接着されている。つまり、発光チップ１２は、透光性部材１３を介してリードフレーム１１の表面１１ａに固定されている。
【００２１】
リードフレーム１１に設けられた２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ、導電性を有するリード線１４ａ，１４ｂを介して、発光チップ１２の２個の電極に接続されている。これにより、リード部材１１１ａ，１１１ｂに接続される電源の電圧が積層体１２２に印加される。積層体１２２に電圧が印加されると、発光層となる半導体層には、ｎ型半導体層から電子が流れ込むと共に、ｐ型半導体層から正孔が流れ込む。その結果、発光層となる半導体層において電子と正孔との再結合が生じ、所定の波長の光が放出される。本実施の形態では、ＧａＮ系の半導体材料を用いて発光層となる半導体層を形成しているので、ＧａＮ系の半導体材料のバンドギャップに相当する青色や緑色の光が放出される。
【００２２】
リードフレーム１１の表面１１ａ側の外周縁には、発光チップ１２の表面１２ａ側を覆うドーム状のレンズ部材１５が取り付けられている。レンズ部材１５は、所定の屈折率を有する樹脂等の材料で形成されており、発光チップ１２の積層体１２２から放出される光を屈折させ、発光ダイオード１の外部の所定方向へと導く。このように、発光チップ１２から放出された光は、レンズ部材１５を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。
【００２３】
次に、本実施の形態に係る発光ダイオード１において発光チップ１２から光が取り出される様子を、比較例に係る発光ダイオードを参照しながら説明する。図３は、比較例に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。図３に示すように、比較例に係る発光ダイオード２は、透光性部材１３を除き本実施の形態に係る発光ダイオード１と共通の構成を備える。すなわち、発光ダイオード２は、平面形状が矩形状のサファイア基板２２１と、サファイア基板２２１の表面２２１ａに設けられた積層体２２２とを備える発光チップ２２を含む。ただし、サファイア基板２２１の裏面２２１ｂは、リードフレーム（不図示）に接着されている。
【００２４】
本実施の形態に係る発光ダイオード１において、発光層となる半導体層で生じた光は、主に、積層体１２２の表面１２２ａ（すなわち、発光チップ１２の表面１２ａ）、及び裏面１２２ｂから放出される。積層体１２２の表面１２２ａから放出された光（例えば、光路Ａ１を伝播する光）は、上述のように、レンズ部材１５等を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。
【００２５】
この点は、比較例に係る発光ダイオード２でも同様である。すなわち、発光ダイオード２において、発光層となる半導体層で生じた光は、主に、積層体２２２の表面２２２ａ、及び裏面２２２ｂから放出される。積層体２２２の表面２２２ａから放出された光（例えば、光路Ａ２を伝播する光）は、レンズ部材（不図示）等を通じて発光ダイオード２の外部に取り出される。
【００２６】
一方で、発光ダイオード２において、積層体２２２の裏面２２２ｂから放出された光の一部（例えば、光路Ｂ２を伝播する光）は、サファイア基板２２１とリードフレームとの界面（サファイア基板２２１の裏面２２１ｂ）で反射し積層体２２に戻る。積層体２２は光を吸収するので、比較例に係る発光ダイオード２では、光路Ｂ２を伝播する光を外部に取り出すことができない。
【００２７】
これに対して、本実施の形態に係る発光ダイオード１は、サファイア基板１２１の裏面１２１ｂに透光性を有する樹脂を介して透光性部材１３が設けられているので、積層体１２２の裏面１２２ｂから放出された光は、発光ダイオード２とは異なる光路で伝播する。例えば、光路Ｂ１を伝播する光の一部は、サファイア基板１２１と透光性部材１３との界面（すなわち、サファイア基板１２１の裏面１２１ｂ、又は透光性部材１３の表面１３ａ）において反射する。また、光路Ｂ１を伝播する光の別の一部は、サファイア基板１２１と透光性部材１３との界面を透過する。このように、光路Ｂ１を伝播する光の一部は、発光ダイオード２と同様に積層体１２２で吸収されるが、光路Ｂ１を伝播する光の別の一部は、透光性部材１３の側面１３ｃ等から外部に取り出される。
【００２８】
このように、本実施の形態に係る発光ダイオード１は、発光層を含む積層体１２２を表面１２ａ側に備える発光チップ（チップ）１２の裏面１２ｂ側に、発光層から出射される光を透過させる透光性部材１３を備えるので、リードフレーム１１との界面で反射して発光層（積層体１２２）に戻る光の割合を低く抑え、光の取り出し効率を高めることができる。
【００２９】
なお、サファイア基板は硬く容易に加工されないので、薄いサファイア基板を用いて加工性を高めておくことが望ましい。この場合、比較例の発光ダイオード２では、積層体２２２の裏面２２２ｂと、サファイア基板２２１とリードフレームとの界面との距離が短くなり、当該界面で反射して積層体に戻る光の割合は高くなるので、光の取り出し効率は低下してしまう。これに対して、本実施の形態に係る発光ダイオード１では、サファイア基板１２１を薄くしても透光性部材１３によって光の取り出し効率を高く維持できる。つまり、光の取り出し効率を維持するためにサファイア基板を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。
【００３０】
次に、本実施の形態に係る発光ダイオード１の有効性を確認するために行った実験について説明する。本実験では、それぞれ異なる大きさの透光性部材を備える複数の発光ダイオードの輝度を測定した。具体的には、各発光ダイオードから放射される全ての光の強度（パワー）の合計値を測定し（全放射束測定）、透光性部材を用いない比較例を基準（１００％）とする輝度に換算した。図４は、測定結果を示すグラフである。図４において、縦軸は、各発光ダイオードの全放射束（ｍＷ）、又は輝度（％）を示している。
【００３１】
図４に示すように、本実験では、透光性部材を用いる５種類の発光ダイオード（実施例１〜５）、及び透光性部材を用いない発光ダイオード（比較例）について輝度を測定した。実施例１〜５、及び比較例の全てにおいて共通の発光チップを用いた。具体的には、表面及び裏面の面積（縦×横）が０．５９５ｍｍ×０．２７０ｍｍで、厚み（高さ）が０．１５ｍｍのサファイア基板に、ＧａＮ半導体層でなる発光層が形成された発光チップを用いた。サファイア基板と透光性部材との接着は、吸光度が十分に小さい樹脂製の接着剤を用いて行った。
【００３２】
実施例１では、表面及び裏面の面積（縦×横）が０．７ｍｍ×０．３ｍｍで、厚み（高さ）が０．１５ｍｍのガラス基板を透光性部材として用いた。実施例２では、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．６ｍｍで、厚みが０．１５ｍｍのガラス基板を透光性部材として用いた。実施例３では、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．９ｍｍで、厚みが０．１５ｍｍのガラス基板を透光性部材として用いた。実施例４では、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．９ｍｍで、厚みが０．３０ｍｍのガラス基板を透光性部材として用いた。実施例５では、表面及び裏面の面積が０．７ｍｍ×０．９ｍｍで、厚みが０．５０ｍｍのガラス基板を透光性部材として用いた。なお、実施例４では、実施例３のガラス基板を２枚貼り合せて透光性部材とした。
【００３３】
図４に示すように、発光チップの裏面側に透光性部材を設ければ、光の取り出し効率を高めることができる。また、透光性部材の表面及び裏面の面積が大きくなれば、発光ダイオードの輝度が高まり、透光性部材が厚くなれば、発光ダイオードの輝度が高まるという傾向を確認できた。透光性部材は、リードフレームへの実装に影響のない範囲で大きく形成されるのが望ましい。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施の形態では、サファイア基板とＧａＮ系の半導体材料とを用いる発光チップを例示したが、結晶成長用の基板及び半導体材料はこれに限定されない。なお、加工性を高めるためには、サファイア基板等の結晶成長用の基板を薄くすると良いが、結晶成長用の基板は必ずしも薄くなくて良い。
【００３５】
また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光層となる半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた積層体１２２を例示したが、積層体１２２の構成はこれに限定されない。積層体１２２は、少なくとも、電子と正孔との再結合により光を放出できるように構成されていれば良い。その他、上記実施の形態に係る構成、方法などは、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光ダイオードの光取り出し効率を高めるために有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  発光ダイオード
１１  リードフレーム
１１ａ  表面
１２  発光チップ（チップ）
１２ａ  表面
１２ｂ  裏面
１３  透光性部材
１３ａ  表面
１３ｂ  裏面
１３ｃ  側面
１４ａ  リード線
１４ｂ  リード線
１５  レンズ部材
１１１ａ  リード部材
１１１ｂ  リード部材
１１２ａ  接続端子
１１２ｂ  接続端子
１２１  サファイア基板
１２１ａ  表面
１２１ｂ  裏面
１２２  積層体
１２２ａ  表面
１２２ｂ  裏面
Ａ１  光路
Ａ２  光路
Ｂ１  光路
Ｂ２  光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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