(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チップを提供すること。【解決手段】本発明の発光チップ（１２）は、サファイア基台（１４１）及びサファイア基台の表面（１４１ａ）に形成された発光層を表面（１４ａ）に備えたチップ（１４）と、発光層からの出射光を透過する透光性樹脂（１６）によってサファイア基台の裏面（１４１ｂ）に貼着された透光性部材（１５）とを備えている。透光性部材は、発光層からの出射光を透過する。透光性部材は、複数積層されている。【選択図】図２
2015018953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に発光層を備えたチップと、該発光層から出射された光を透過する透光性部材と、から少なくとも構成され、
該透光性部材は複数積層されて該チップの裏面に透光性樹脂で貼着されたこと、を特徴とする発光チップ。
【請求項２】
該チップの基台はサファイアであり、該発光層はＧａＮ半導体層から成ること、を特徴とする請求項１記載の発光チップ。
【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チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等を含む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チップを有する発光チップを備える。かかるチップの製造は、先ず、結晶成長用基台上における格子状の分割予定ラインで区画された各領域に、発光層としてエピタキシャル層（結晶層）を成長させる。その後、結晶成長用基台を分割予定ラインに沿って分割して個片化することで、個々の発光チップ用のチップが形成される。
【０００３】
発光チップにおいて、緑や青色の光を出射する発光層がＩｎＧａＮ系のチップでは、サファイアが結晶成長用基台に一般的に用いられ、このサファイア基台上に順次ｎ型ＧａＮ半導体層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させる。そして、ｎ型ＧａＮ半導体層とｐ型ＧａＮ半導体層とのそれぞれに外部取り出し用電極が形成される。
【０００４】
かかるチップの裏面側（サファイア基台側）をリードフレームに固定し、チップの表面側（発光層側）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（サファイア基台側の主面）から放出された光は、サファイア基台を伝播し、その一部は、サファイア基台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チップに薄いサファイア基台を用いると、積層体の裏面と、サファイア基台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、サファイア基台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、サファイア基台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くなると、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チップ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】
本発明の発光チップは、表面に発光層を備えたチップと、発光層から出射された光を透過する透光性部材と、から少なくとも構成され、透光性部材は複数積層されてチップの裏面に透光性樹脂で貼着されたこと、を特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、チップの裏面に複数積層された透光性部材が貼着されるので、チップの裏面で反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、透光性部材から出る光の割合を多くすることができ、光の取り出し効率を高めることができる。また、透光性部材を複数枚積層させるので、その枚数を調整することで透光性部材から出る光の割合を変えて発光チップの輝度を調整することができる。
【００１１】
また、本発明の発光チップでは、チップの基台はサファイアであり、発光層はＧａＮ半導体層から成ることとされても良い。この構成によれば、青色や緑色の光を放つ発光チップにおいて、光の取り出し効率を高めることができる。また、基台を薄くしても、透光性部材の厚さに応じて、反射光を発光層から外れた位置へ入射できるので、光の取り出し効率を低下させることなく薄い基台を利用でき、薄い結晶成長用基台による加工性を維持することができる。
【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チップを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１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】実施の形態１に係る発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。
【図３】比較構造に係る発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。
【図４】図４Ａは、実施の形態２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４Ｂは、実施の形態２に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図５】図５Ａは、実施例１の断面模式図であり、図５Ｂは、実施例１、比較例１−１及び１−２の輝度の測定結果を示すグラフである。
【図６】図６Ａは、実施例２の断面模式図であり、図６Ｂは、実施例２、比較例２−１及び２−２の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】
（実施の形態１）
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、実施の形態１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、実施の形態１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に示すように、発光ダイオード１は、ベース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，１１１ｂの電位と同程度になる。
【００１７】
発光チップ１２は、リードフレーム１１の表面１１ａであって、接続端子１１２ａと接続端子１１２ｂとの間に配置されている。図２に示すように、発光チップ１２は、チップ１４と、このチップ１４の裏面１４ｂに透光性樹脂１６によって貼着された透光性部材１５とを有する。チップ１４は、平面形状が矩形状のサファイア基台１４１と、サファイア基台１４１の表面１４１ａに設けられた積層体１４２とを備えている。積層体１４２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１４２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、サファイア基台１４１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１４２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１４２に含まれても良い。
【００１９】
透光性部材１５は、ガラス（例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等）や樹脂等からなり、発光層から出射された光を透過する材料で形成されている。透光性部材１５は、複数枚（本実施の形態では２枚）設けられ、透光性樹脂（不図示）を介して接着されることで積層されている。各透光性部材１５の表面１５ａの面積は、サファイア基台１４１の裏面１４１ｂの面積より大きくなっている。また、透光性部材１５は、サファイア基台１４１と同等以上の厚みを有することが望ましい。なお、リードフレーム１１側（図２中下側）の透光性部材１５の裏面１５ｂは、リードフレーム１１の表面１１ａに樹脂（不図示）によって接着され、かかる樹脂は透光性樹脂１６と同様の材質とされる。なお、本実施の形態では、各透光性部材１５は、平面形状及び厚みを同一に形成したが、それらが相違する透光性部材１５を積層してもよい。また、透光性部材１５の枚数は、２枚に限られず、３枚以上としてもよい。
【００２０】
透光性樹脂１６は、発光層から出射された光を透過するダイボンディング剤等の樹脂材料からなり、チップ１４の裏面１４ｂの全体に設けられてチップ１４の裏面１４ｂと、チップ１４側（図２中上側）に位置する透光性部材１５の表面１５ａとを貼着している。
【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１７ａ，１７ｂ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１４２に印加される。積層体１４２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、チップ１４の表面１４ａ側を覆うドーム状のレンズ部材１８が取り付けられている。レンズ部材１８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、チップ１４の積層体１４２から出射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、チップ１４から出射された光は、レンズ部材１８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、実施の形態１に係る発光ダイオード１による輝度改善効果について、図３の比較構造に係る発光ダイオードを参照しながら説明する。図３は、実施の形態１と比較するための比較構造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。比較構造に係る発光ダイオードは、透光性部材１５を１枚とした点を除き、実施の形態１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、比較構造に係る発光チップ２２では、平面形状が矩形状のサファイア基台２４１と、サファイア基台２４１の表面２４１ａに設けられた積層体２４２とを備えるチップ２４が透光性樹脂２６によって透光性部材２５に接着される。
【００２４】
図２に示すように、実施の形態１に係る発光チップ１２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１４２の表面１４２ａ（すなわち、発光チップ１４の表面１４ａ）、及び裏面１４２ｂから放出される。積層体１４２の表面１４２ａから放出された光（例えば、光路Ａ１）は、上述のように、レンズ部材１８（図１参照）等を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。一方で、例えば、積層体１４２の裏面１４２ｂから出射されて光路Ａ２を伝播する光は、サファイア基台１４１と透光性部材１５との界面である発光チップの裏面１４ｂに入射し、２枚の透光性部材１５を透過する（光路Ａ３）。光路Ａ３を伝播する光は、リードフレーム１１の表面１１ａで反射され（光路Ａ４）、透光性部材１５の側面に入射し、外部へ放出される。
【００２５】
これに対し、図３に示すように、比較構造に係る発光チップ２２の光路Ｂ１，Ｂ２は、実施の形態１に係る発光チップ１２の光路Ａ１，Ａ２と同様となるが、実施の形態１における光路Ａ３は、２枚の透光性部材１５を透過するのに対し、比較構造における光路Ｂ３は、透過する透光性部材２５が１枚となる。光路Ｂ３を伝播する光は、リードフレーム１１の表面１１ａで反射されて光路Ｂ４を伝播する。光路Ｂ４を伝播する光は、１枚の透光性部材２５を透過してからサファイア基台２４１を透過し、積層体２４２に入射して吸収されるため、外部に取り出すことができなくなる。
【００２６】
以上のように、実施の形態１に係る発光ダイオード１によれば、積層体１４２から出射して光路Ａ２と同様に伝播する光を、２枚の透光性部材１５によって光路Ａ３，Ａ４のように伝播させて外部に取り出すことができる。ここで、光路Ａ３を伝播する光は、比較構造の光路Ｂ３を伝播する光に比べ、透光性部材１５の枚数が２枚となったため、リードフレーム１１の表面１１ａに入射する位置を透光性部材１５の外周寄りとすることができる。従って、光路Ａ３，Ａ４を伝播した光においては、比較構造の光路Ｂ３，Ｂ４を伝播した光に比べ、積層体１４２に戻る光の割合を低く抑えることができる。これにより、透光性部材１５から出る光の割合を多くでき、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。また、実施の形態１の発光チップ１２では、透光性部材１５の積層枚数を変えることによって、発光チップ１２における輝度を調整することができる。
【００２７】
なお、サファイア基台は硬くて加工が容易でないので、薄いサファイア基台を用いて加工性を高めておくことが望ましい。上記の発光ダイオード１では、サファイア基台１４１を薄くしても透光性部材１５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台１４１を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。
【００２８】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。なお、実施の形態２において、実施の形態１と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図４Ａは、実施の形態２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４Ｂは、実施の形態２に係る発光ダイオードの断面模式図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施の形態２に係る発光ダイオード３は、パッケージ３０の凹部３１における底面に形成された実装面３２に発光チップ１２を支持固定してなる。実装面３２には、互いに絶縁された２個の接続電極３２ａ，３２ｂが所定の間隔をあけて配置されている。
【００２９】
実施の形態２の発光チップ１２は、実施の形態１の発光チップ１２と同様に、透光性樹脂１６で接着されたチップ１４及び複数枚積層された透光性部材１５を備え、その上下の向きが実施の形態１に対して反転した状態で固定されている。実施の形態２におけるチップ１４の表面１４ａに設けられた電極（不図示）は、バンプと呼ばれる突起状の端子によって形成され、チップ１４の表面１４ａが実装面３２に支持固定されることで、接続電極３２ａ，３２ｂに接続され、発光チップ１２がフリップチップ実装される。
【００３０】
次に、上記の実施の形態に係る発光ダイオードの輝度改善効果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、実施例１として、図５Ａに示す構成となる発光ダイオード５を作成した。実施例１の発光ダイオード５は、パッケージ５０と、パッケージ５０の凹部５１に透光性樹脂（不図示）を介して接着された２枚の透光性部材５５と、透光性部材５５に透光性樹脂（不図示）を介して接着されたチップ５４とにより構成した。比較例１−１は、実施例１の２枚の透光性部材５５を全て省略した構成とし、比較例１−２は、実施例１における透光性部材５５を１枚に変更した構成とした。また、本実験では、実施例２として、図６Ａに示す構成となる発光ダイオード５ａを作成した。実施例２の発光ダイオード５ａは、図５Ａの発光ダイオード５における凹部５１の内部に、封止樹脂５６を充填した構成とした。封止樹脂５６は、東レ・ダウコーニング社製  ＯＥ−６５５０（屈折率１．５４、透明度１００％（ａｔ  ４５０ｎｍ））を用いた。比較例２−１は、実施例２の２枚の透光性部材５５を全て省略した構成とし、比較例２−２は、実施例２における透光性部材５５を１枚に変更した構成とした。
【００３１】
各実施例及び各比較例において、透光性部材５５は、表面及び裏面の面積（縦×横）を０．８ｍｍ×０．８ｍｍ、厚みを１５０μｍのガラスを用いた。実施例１及び２では、２枚の透光性部材５５を透光性樹脂によって接着した。
【００３２】
各実施例及び各比較例の全てにおいて、実施の形態１のチップ１４（図２参照）と同様となる同一仕様のチップ５４を用いた。具体的には、チップ５４は２インチウェハ（Ｔｅｋｃｏｒｅ製）を分割してチップ化したものであり、表面及び裏面の面積（縦×横）が７．９７５ｍｍ×７．７２５ｍｍのサファイア基台に、ＧａＮ半導体層からなる発光層を含む積層体が形成されたものとした。また、各実施例及び各比較例の全てにおいて透光性樹脂（不図示）は、光を透過するダイボンディング剤（信越化学製、ＫＥＲ−Ｍ２）を用いた。
【００３３】
本実験では、各実施例及び各比較例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、測定器：テクノローグ製、ＬＸ４６５１Ｃ）、比較例を基準（１００％）とする輝度に換算した。図５Ｂ及び図６Ｂは、測定結果を示すグラフである。図５Ｂ及び図６Ｂ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。
【００３４】
図５Ｂに示すように、実施例１は、基準（１００％）となる比較例１−１に比べ、輝度が１１．５％高まり、比較例１−２に比べ、輝度が２．６％高まっており、光の取り出し効率を高めることができる。また、図６Ｂに示すように、実施例２は、基準（１００％）となる比較例２−１に比べ、輝度が５．７％高まり、比較例２−２に比べ、輝度が１．９％高まっており、光の取り出し効率を高めることができる。各実施例及び各比較例の上記条件と図５Ｂ及び図６Ｂの結果とから、透光性部材５５の枚数が多くなる程、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。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、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することが可能である。
【００３６】
例えば、上記実施の形態では、サファイア基台とＧａＮ系の半導体材料とを用いるチップ１４を例示したが、結晶成長用基台としてＧａＮ基板を用いる等、結晶成長用基台及び半導体材料は実施の形態に限定されない。なお、加工性を高めるためには、サファイア基台等の結晶成長用基台を薄くすると良いが、結晶成長用基台は必ずしも薄くなくて良い。
【００３７】
また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光する半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた積層体１４２を例示したが、積層体１４２の構成はこれに限定されない。積層体１４２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。
【００３８】
また、チップ１４は、赤外光を発するチップ（ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰなど）としてもよく、この場合、透光性部材１５が赤外光を透過する材質で形成することで、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、チップ１４が紫外光を発し、透光性部材１５が紫外光を透過する材質で形成した場合も、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光チップ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】
【００４０】
１  発光ダイオード
１２  発光チップ
１４  チップ
１４１  サファイア基台
１５  透光性部材
１６  透光性樹脂
【図１】
2015018953.tif 000003
【図２】
2015018953.tif 000004
【図３】
2015018953.tif 000005
【図４】
2015018953.tif 000006
【図５】
2015018953.tif 000007
【図６】
2015018953.tif 000008