(57)【要約】      （修正有）【課題】色ムラが大幅に改善された半導体発光装置を提供する。【解決手段】発光層を含む半導体構造層１１Ａ及び半導体構造層を支持する支持基板１１Ｂからなる半導体発光素子１１と、支持基板を介して半導体発光素子を載置する実装基板１２と、半導体構造層及び支持基板を埋設するように形成され、波長変換部材１６を含む蛍光体含有層１５と、蛍光体含有層を実装基板に封止する封止層１７と、封止層の開口部ＡＰと、開口部に充填（形成）されている透光体層１８、とを有し、封止層１７は、非導電性で光の反射率が高い材料を分散させた樹脂からなる。【選択図】図１
2015079917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体構造層及び前記半導体構造層を支持する支持基板からなる半導体発光素子と、
前記支持基板を介して前記半導体発光素子を載置する実装基板と、
前記半導体構造層及び前記支持基板を埋設するように形成され、蛍光体を含む蛍光体含有層と、
前記蛍光体含有層を前記実装基板に封止する封止層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記封止層は前記半導体発光素子に対向する前記蛍光体含有層の領域上に開口部を有し、前記開口部には透光体層が形成され、
前記透光体層は、前記透光体層の端部が、前記支持基板に垂直な方向から見たとき、前記支持基板の端部と同じ位置又はこれより内側にあるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体含有層の前記封止層に接する端部側面は、前記封止層に向かって凸面形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透光体層は、前記透光体層の端部が、前記支持基板に垂直な方向から見たとき、前記半導体構造層の端部と同じ位置又はこれより内側にあるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体構造層は、前記半導体構造層の端部が前記支持基板の端部よりも内側にあるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体素子を有する半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードなどの半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層を成長し、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を形成して作製される。さらに、半導体発光素子は配線などが形成された実装基板上に固定され、光取出し面に蛍光体を有する蛍光体層が形成された後、樹脂などで封止されて半導体発光装置が作製される。
【０００３】
特許文献１には、蛍光体含有層上に板状の透明部材を配置し、一部の励起光を蛍光体含有層の端面から上方に向かって、透明部材を通さずに直接出射させる構成を有する発光装置が開示されている。また、特許文献２には、蛍光体含有層上に板状光学層を有し、板状光学層が素子上面より小さく、蛍光体含有層の側面が傾斜面を備えた発光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2012-199411号公報
【特許文献２】特開2012-169442号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光層から放出された光は蛍光体層を通過して外部に取り出される。例えば青色を示す発光波長の光を放出する発光層の場合、発光層から放出された青色の光は、一部が蛍光体層の蛍光体に衝突し、例えば黄色を示す発光波長の光に変換される。この場合、発光装置から取出された光は、青色光と黄色光との混色により、全体としては白色光として視認される。
【０００６】
しかし、光は発光層から放射状に放出されるため、発光装置内において様々な経路を通った光が外部に取出されることとなる。従って、混色のバランス、すなわち発光層から放出された光とそのうちの蛍光体によって波長が変換された光との光量のバランスは、光取出し面の面内において厳密には一様ではない。特に光取出し面の端部においてはそのバランスが崩れやすい。すなわち、光取出し面の中央部と端部とでは視認される光の色が異なる場合がある。例えば、光取出し面の中央部においては白色と視認され、端部においては黄色と視認されることがある。このいわゆる色ムラが少ないことは発光装置の重要な特性の１つである。
【０００７】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、色ムラが大幅に改善された半導体発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体発光装置は、発光層を含む半導体構造層及び半導体構造層を支持する支持基板からなる半導体発光素子と、支持基板を介して半導体発光素子を載置する実装基板と、半導体構造層及び支持基板を埋設するように形成され、蛍光体を含む蛍光体含有層と、蛍光体含有層を実装基板に封止する封止層と、を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体発光装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光装置の詳細構造を説明する図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の変形例の半導体発光装置の構造を示す図である。
【図４】比較例の半導体発光装置の構造を示す断面図である。
【図５】実施例１、変形例及び比較例の半導体発光装置における発光面の中央部分及び端部の色度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明による半導体発光装置においては、蛍光体を含む蛍光体含有層が、半導体構造層及び半導体構造層を支持する支持基板を埋設するように形成されていることを特徴としている。以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。
【実施例１】
【００１１】
図１（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光装置１０の構造を示す断面図である。図１（ｃ）は、半導体発光装置１０の上面図である。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）は、それぞれ図１（ｃ）のＶ−Ｖ線及びＷ−Ｗに沿った断面図である。図１（ａ）に示すように、半導体発光装置１０は、半導体発光素子１１が実装基板１２に固定された構成を有している。半導体発光素子１１は、発光層を有する半導体構造層１１Ａと、半導体構造層１１Ａを支持する支持基板１１Ｂとから構成されている。支持基板１１Ｂは実装基板１２上に載置され、半導体発光素子１１は実装基板１２上において実装されている。支持基板１１Ｂは、例えばＳｉ及びＳｉＣなどの導電性材料からなる。実装基板１２は、例えばアルミナやＡｌＮなどのセラミック材料からなる。なお、本実施例においては、図１（ｃ）に示すように、半導体発光素子１１及び実装基板１２が、上面視において、すなわち半導体構造層１１Ａに垂直な方向から見たときに矩形形状を有する場合について説明する。
【００１２】
半導体構造層１１Ａ上には表面電極（第１の電極）１３が設けられている。実装基板１２上には接続電極１４が設けられ、接続電極１４は電源の一端（図示せず）に接続された実装基板１２上の配線（図示せず）に接続されている。表面電極１３と接続電極１４とは、ワイヤボンディングによって接続されている。また、支持基板１１Ｂ側の半導体構造層１１Ａの表面には裏面電極（第２の電極、図示せず）が設けられており、当該裏面電極は、支持基板１１Ｂを介して、電源の他端に接続された実装基板１２上の配線（図示せず）に接続されている。支持基板１１Ｂと実装基板１２の配線との間は導電性のダイアタッチ材（図示せず）などを用いて接続されている。
【００１３】
半導体発光装置１０は、表面電極１３を含む半導体発光素子１１の全体を覆うように、すなわち半導体構造層１１Ａ、半導体構造層１１Ａ上の表面電極１３及び支持基板１１Ｂを埋設するように形成された蛍光体含有層１５を有している。蛍光体含有層１５は、例えばシリコン樹脂などの透光性を有する樹脂からなる。また、蛍光体含有層１５は、半導体構造層１１Ａの発光層から放出される光の波長を変換する波長変換部材１６を有している。波長変換部材１６は蛍光体含有層１５内に多数分散して設けられている。波長変換部材１６は蛍光体を含む。波長変換部材１６である蛍光体は、例えば青色の波長を有する光を、黄色の波長を有する光に変換する。
【００１４】
なお、図示していないが、混色のバランスを調節するために、蛍光体含有層１５は透明ビーズを含んでいても良い。透明ビーズは、蛍光体含有層１５の材料と同程度の屈折率を有する透明な材料からなり、波長変換部材１５である蛍光体よりも大きな粒径を有するものを用いることができる。透明ビーズの材料としては、例えばＳｉＯ2及びアルミナなどを用いることができる。透明ビーズは蛍光体とは別に蛍光体含有層１５内に設けられていてもよく、また、蛍光体を透明ビーズ内に封入した蛍光体入りビーズが波長変換部材１６として蛍光体含有層１５内に設けられていても良い。
【００１５】
半導体発光装置１０は、蛍光体含有層１５及び接続電極１４を実装基板１２に封止する封止層１７が設けられている。また、封止層１７は、半導体発光素子１１に対向する蛍光体含有層１５の領域上に開口部ＡＰを有し、開口部ＡＰには透光体層１８が充填（形成）されている。封止層１７は、非導電性で光の反射率が高い材料、例えば酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛などを分散させた樹脂からなる。封止層１７は、例えば白色樹脂からなる。透光体層１８は、発光層からの発光に対して透光性を有する部材、例えばＳｉＯ2などのガラス材料やサファイアなどからなる。透光体層１８は、蛍光体含有層１５の材料である樹脂よりも小さな屈折率を有している。透光体層１８は、その端部が、上面視において、すなわち支持基板１１Ｂに垂直な方向から見たとき、支持基板１１Ｂの端部と同じ位置又はこれより内側にあるように形成されている。透光体層１８は、表面電極１３の上部領域に切り欠きを有し、当該領域を除いては、上面視において矩形形状を有している。すなわち、上面視において、透光体層１８の幅及び長さは支持基板１１Ｂの幅及び長さ以下である。半導体構造層１１Ａの発光層から放出された光は、この開口部ＡＰに形成された透光体層１８を通って外部に放出される。
【００１６】
次に、半導体発光装置１０の製造方法について説明する。本実施例においては、まず、成長用基板（図示せず）上に半導体構造層１１Ａを成長し、半導体構造層１１Ａ上に反射金属などの金属材料によって裏面電極（図示せず）を形成し、接合層（図示せず）を介して裏面電極を支持基板１１Ｂに接合し、成長用基板を除去することによって、半導体発光素子１１を作製した。
【００１７】
次に、支持基板１１Ｂを実装基板１２上に固定し、半導体構造層１１Ａ上に表面電極１３を、実装基板１２上に接続電極１４を形成した。その後、表面電極１３及び接続電極１４間をワイヤボンディングによって接続した。具体的には、表面電極１３上にボールＢＬを形成し、ボンディングワイヤＷＲによってボールＢＬと接続電極１４とを接続した。
【００１８】
その後、波長変換部材１６を含む樹脂材料をディスペンサによって半導体発光素子１１の上から塗布することによって、蛍光体含有層１５を形成した。蛍光体含有層１５の形成後、熱処理を行って蛍光体含有層１５の材料を硬化させた。次に、実装基板１２上において、接続電極１４及び蛍光体含有層１５の全体を覆うように封止層１７を形成した。その後、蛍光体含有層１５上の封止層１７の一部を除去して開口部ＡＰを形成し、開口部ＡＰに透光体層１８を形成した。また、封止層１７の形成後、熱処理によって封止層１７の材料を硬化させた。以上の工程を経て、半導体発光装置１０を作製した。なお、蛍光体含有層１５、封止層１７及び透光体層１８は、上記以外の順序でも形成することが可能である。例えば、まず蛍光体含有層１５を形成し、蛍光体含有層１５の半導体構造層１１Ａに対向する領域上に透光体層１８を形成した後、蛍光体含有層１５を硬化させる。次に、透光体層１８が形成された蛍光体含有層１５の領域を除いて、封止層１７を、透光体層１８の側面を覆うように形成し、封止層１７を硬化させる。このように蛍光体含有層１５、封止層１７及び透光体層１８を形成してもよい。
【００１９】
次に、半導体発光装置１０の詳細構造について図２（ａ）を用いて説明する。図２（ａ）は、半導体発光装置１０の一部を拡大した断面図である。まず、半導体発光素子１１の半導体構造層１１Ａについて説明する。半導体構造層１１Ａは、発光層２１が、ｎ型半導体層（第１の半導体層）２２とｐ型半導体層（第２の半導体層）２３とによって挟まれた構造を有している。半導体構造層１１Ａは、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成を有するｐ型半導体層２３、発光層２１及びｎ型半導体層２２が支持基板１２上に順次積層された構造を有している。なお、半導体構造層１１Ａは、ｐ型半導体層２３上に設けられた透明電極層又は透明絶縁膜と金属層とからなる反射層（図示せず）を有し、さらに接合層（図示せず）を介して支持基板１１Ｂに接合されている。なお、金属層は高い反射性を有する金属からなり、当該反射層は、発光層２１から放出された光を高効率で反射する層として機能する。
【００２０】
本実施例においては、半導体発光素子１１は以下のように作製した。まず、成長用基板上に、半導体構造層１１Ａとしてｎ型半導体層２２、発光層２１及びｐ型半導体層２３をこの順で順次成長し、ｐ型半導体層２４上に裏面電極及び反射層を形成し、さらに接合層を形成した。その後、当該接合層を介して半導体構造層１１Ａを支持基板１１Ｂに接合し、成長用基板を除去した。従って、図２（ａ）に示すように、半導体構造層１１Ａは、支持基板１１Ｂ側からｐ型半導体層２３、発光層２１及びｎ型半導体層２２がこの順で形成されている。しかし、半導体発光素子１１はこの構造を有する場合に限定されない。半導体発光素子１１は、例えば、成長用基板上に半導体構造層１１Ａを成長して当該成長用基板を支持基板１１Ｂ上に固定した構造を有していても良い。また、第１の半導体層及び第２の半導体層がそれぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層である場合について説明したが、第１及び第２の半導体層の導電型はこれに限るものではない。第１及び第２の半導体層はそれぞれ本実施例とは反対の導電型を有していても良い。
【００２１】
続いて、蛍光体含有層１５について詳細に説明する。蛍光体含有層１５は、半導体構造層１１Ａのみならず、支持基板１１Ｂを埋設するように形成されている。また、半導体構造層１１Ａは、その端部が上面視において支持基板１１Ｂの端部よりも内側にあるように形成されている。すなわち、蛍光体含有層１５は、半導体構造層１１Ａの上面及び側面の全体と、支持基板１１Ｂの側面全体及び上面の一部と、実装基板１２の上面の一部とを覆うように設けられている。また、蛍光体含有層１５の封止層１７に接する端部側面１５Ａ、すなわち蛍光体含有層１５と封止層１７との界面は、封止層１７に向かって凸面形状を有している。
【００２２】
次に、図２（ｂ）を参照して、発光層２１から放出された光が蛍光体含有層１５及び透光体層１８を介して外部に放出されるまでの詳細について説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）と同様の断面図であるが、図の明確さのため、ハッチングを省略してある。また、図２（ｂ）には、発光層２１から放出された光の一部を模式的に示している。ここでは、発光層２１から外部に取出される光を４つの光Ｌ１〜Ｌ４に区別して説明する。また、発光層２１から放出される光が青色光であり、蛍光体含有層１５の波長変換部材１６である蛍光体が青色光を黄色光に変換する場合について説明する。
【００２３】
まず、光Ｌ１及び光Ｌ２について説明する。光Ｌ１は、発光層２１から透光体層１８に向かって放出された光である。光Ｌ１のような光は、適切に蛍光体含有層１５を形成することによってバランスよく黄色光及び青色光が生成され、両者が混合された後、白色光として外部から認識される。また、光Ｌ１は、反射されずに外部に取出されるため、最も大きな強度を有している。次に、光Ｌ２は、発光層２１から支持基板１１Ｂに向かって放出され、半導体構造層１１Ａと支持基板１１Ｂとの界面にて反射された後、透光体層１８に向かって進む光である。光Ｌ２のような光は、一度反射された光であるため、光Ｌ１よりも光の強度が小さい。しかし、光Ｌ２は光Ｌ１と同様に混色のバランスが良く、白色光として外部から認識される。透光体層１８の中央部分、すなわち、光取出し面の中央部分において観察される光は、ほぼこれら光Ｌ１及びＬ２によって構成されている。従って、透光体層１８の中央部分においては色ムラの問題は起こる可能性は低い。
【００２４】
次に、光Ｌ３及びＬ４について説明する。光Ｌ３及びＬ４は、発光層２１から、蛍光体含有層１５の端部側面１５Ａ、すなわち蛍光体含有層１５と封止層１７との界面に向かって放出された光である。光Ｌ３のような光は、封止層１７によって反射された後、蛍光体含有層１５内の支持基板１１Ｂの上面の領域に向かって進み、支持基板１１Ｂによって反射され、透光体層１８に向かって進む。光Ｌ３は、光Ｌ１及びＬ２よりも蛍光体含有層１５内を進む距離が長い。従って、光Ｌ３は、蛍光体含有層１５内において波長変換部材１６に衝突し、波長が変換される可能性が高い。しかし、光Ｌ３は反射を繰り返して減衰するため、光Ｌ１及びＬ２よりも外部に取出されたときの強度が小さい。
【００２５】
また、光Ｌ４のような光は、封止層１７によって反射された後、蛍光体含有層１５内において、支持基板１１Ｂの側面、実装基板１２の上面及び封止層１７によって順に反射され、透光体層１８に向かって進む。従って、光Ｌ４は、光Ｌ３よりもさらに多く反射を繰り返した光であり、大きく減衰する。従って、光Ｌ４は、波長が変換される可能性が高いものの、外部に取出されたときの強度は極めて小さい。
【００２６】
透光体層１８の端部において観察される光は、光Ｌ１及びＬ２だけでなく、光Ｌ３及びＬ４のような混色のバランスを崩す光を含んでいる可能性が高い。しかし、光Ｌ３及びＬ４は、上記したように、光Ｌ１及びＬ２に比べてその強度が小さいため、混色のバランスが崩れにくい。従って、透光体層１８の端部において色ムラの問題は大きく改善される。
【００２７】
また、本実施例においては、蛍光体含有層１５の封止層１７に接する端部側面１５Ａは封止層１７に向かって凸面形状、すなわち封止層１７に向かって丸まった形状（ラウンド形状、ドーム形状ともいう）を有している。従って、発光層２１から封止層１７に向かって進む光は、封止層１７によって実装基板１２の方向、すなわち透光体層１８とは反対の方向に向かって反射される可能性が高い。一度でも封止層１７によって反射された光は、蛍光体含有層１５内を進む距離が長くなるため、外部に取出されるまでに大きく減衰する。従って、透光体層１８の端部において色ムラはより改善される。
【００２８】
また、本実施例においては、半導体構造層１１Ａの端部が支持基板１１Ｂの端部よりも内側にあるように構成されている。従って、半導体構造層１１Ａの側面及び支持基板１１Ｂの側面のみならず、一部の支持基板１１Ｂの上面においても光の反射を起こさせ、色ムラの原因となる光を十分に減衰させることが可能となる。
【００２９】
上記したように、蛍光体含有層１５は、半導体構造層１１Ａのみならず、支持基板１１Ｂを埋設するように形成されている。従って、発光層２１から放出された光のうち、色ムラの原因となる光を蛍光体含有層１５内において多重反射させ、減衰させることが可能となる。従って、透光体層１８から外部に取出される光の色ムラの問題を大きく改善することが可能となる。
【００３０】
なお、本実施例においては、半導体構造層の両方の表面に電極（表面電極及び裏面電極）が形成されている場合について説明したが、電極の形成位置はこれに限定されるものではない。例えば、半導体構造層の一方の表面に両方の電極が形成されていてもよい。例えば、支持基板側の半導体構造層の表面から第２の半導体層及び発光層を貫通し、第２の半導体層に至る貫通孔を形成し、当該貫通孔内に、第１の半導体層に接続された電極（本実施例における表面電極に対応する電極）が形成されていても良い。両方の電極が半導体構造層の支持基板側の表面上に形成されている場合、透光体層に切り欠きが形成される必要はなく、また、同様に接続電極が形成される必要はない。
【００３１】
図３（ａ）は、実施例１の変形例に係る半導体発光装置３０の構造を示す断面図である。図３（ｂ）は、半導体発光装置３０の上面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本変形例の半導体発光装置３０は、透光体層３３の端部の位置並びにこれに付随する蛍光体含有層３１及び封止層３２の構造を除いては実施例１の半導体発光装置１０と同様の構造を有している。本変形例においては、透光体層３３は、その端部が上面視において半導体構造層１１Ａの端部と同じ位置又はこれよりも内側にあるように形成されている。本変形例においては、発光層２１から放出された光のうち、封止層３２に向かって進む光（光Ｌ３及びＬ４のような光）は、より多く蛍光体含有層３１内において多重反射を繰り返す構造となる。従って、色ムラの原因となる光をより確実に減衰させることが可能となり、より色ムラの問題を改善することができる。
【００３２】
本願の発明者らは、本発明による効果を検証するために、半導体発光装置１０（実施例１）、半導体発光装置３０（変形例）及び半導体発光装置１００（比較例）に対応する半導体発光装置を作製し、それぞれにおいて発光面の中央部及び端部の色度を測定する試験を行った。図４及び図５を用いて試験の詳細及び結果について説明する。まず、実施例１及びその変形例に対応する半導体発光装置を作製し、比較例として半導体発光装置１００を作製した。半導体発光装置１００は、図４に示すように、蛍光体含有層１０１が半導体構造層１１Ａのみを埋設する点、すなわち蛍光体含有層１０１が支持基板１１Ｂの側面には形成されていない点及びこれに付随する封止層１０２の構造を除いては実施例１の半導体発光装置１０と同様の構成を有している。
【００３３】
次に、スクリーン及びレンズを準備し、各半導体発光装置から放出された光を、レンズを用いてスクリーンに投影した。図５は、スクリーンに投影された各半導体発光装置からの光について、その中央部分及び端部の色度を測定した結果をまとめた図である。なお、図中の数値（例えば（０．３３０、０．３４４））は、その左側の数値が色度図のｘ軸上の座標を示し、右側の数値が色度図のｙ軸上の座標を示している。また、色度の数値と色の区分との関係については、ＪＩＳ規格の規格番号ＪＩＳＺ８１１０に従って決定した。なお、色度の数値が（０．３３、０．３３）を示す場合、純粋な白色（無彩色）とされる。
【００３４】
図５に示すように、実施例１においては、投影された光における中央部分及び端部の両方が白色に区分される色度を示した。変形例においては、実施例１よりもさらに純粋な白色に近い色度を示した。一方、比較例では、中央部分は白色に区分される色度を示したものの、端部においては黄みの白色に区分される色を示した。図５に示すように、本発明によって色ムラが大きく低減されたことが実証された。
【００３５】
上記したように、本発明による半導体発光装置は、発光層を含む半導体構造層及び半導体構造層を支持する支持基板からなる半導体発光素子と、支持基板を介して半導体発光素子を載置する実装基板と、半導体構造層及び支持基板を埋設するように形成され、蛍光体を含む蛍光体含有層と、蛍光体含有層を実装基板に封止する封止層と、を有する。従って、色ムラが大幅に改善された半導体発光装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  半導体発光装置
１１  半導体発光素子
１１Ａ  半導体構造層
１１Ｂ  支持基板
１２  実装基板
１５  蛍光体含有層
１５Ａ  端部側面
１６  波長変換部材（蛍光体）
１７  封止層
１８  透光体層
【図１】
2015079917.tif 000003
【図２】
2015079917.tif 000004
【図３】
2015079917.tif 000005
【図４】
2015079917.tif 000006
【図５】
2015079917.tif 000007