(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、発光層を表面に備えたチップ（１４）と、チップの裏面側に接着された透光性部材（１５）とから少なくとも構成されている。透光性部材は、発光層から出射された光を透過する。透光性部材は、第一の面（１５ａ）と、第一の面よりも小さい面積を有する第二の面（１５ｂ）と、第一の面と第二の面とを連結する傾斜側壁（１５ｃ）とを有する錐台形状に形成されている。【選択図】図２
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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、第一の面と、該第一の面よりも小さい面積を有する第二の面と、該第一の面と該第二の面とを連結する傾斜側壁とを有する錐台形状に形成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構成され、
該チップの裏面側が、該透光性部材の該第一の面又は該第二の面に透光性を有する樹脂で接着されていること、を特徴とする発光チップ。
【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、結晶成長用基板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、結晶成長用基板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板に一般的に用いられ、このサファイア基板上に順次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（サファイア基板側）を基台となる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、或いは、サファイア基板とリードフレームとの間に直方体状の透光性部材が配設した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、発光層を表面に備えたチップと、第一の面と、該第一の面よりも小さい面積を有する第二の面と、該第一の面と該第二の面とを連結する傾斜側壁とを有する錐台形状に形成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構成され、該チップの裏面側が、該透光性部材の該第一の面又は該第二の面に透光性を有する樹脂で接着されていること、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、錐台形状に形成された透光性部材を有するので、傾斜側壁の角度に応じ、透光性部材を伝播する光の傾斜側壁への入射角を変えることができる。これにより、透光性部材を伝播した光が傾斜側壁で全反射されるケースをなくしたり、透光性部材より出る光の割合を多くすることができる。しかも、傾斜側壁で反射した光の進行方向を、透光性部材から出る光の割合が多くなるようにすることもできる。これにより、反射によっ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】
また、本発明の発光チップでは、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、サファイア基板を薄くしても、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サファイア基板を利用でき、薄い結晶成長用基板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】比較例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】実施の形態２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５】図５Ａは、実施の形態３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５Ｂは、実施の形態３に係る発光ダイオードの断面模式図である。
【図６】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、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側に配置された透光性部材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板１４１と、サファイア基板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、サファイア基板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。また、透光性部材１５は、四角錐台形状に形成され、裏面となる第一の面１５ａと表面となる第二の面１５ｂとが平面視で方形状にそれぞれ形成されている（図１参照）。第二の面１５ｂは、第一の面１５ａよりも小さい面積を有する。第一の面１５ａ及び第二の面１５ｂの各辺部は傾斜側壁１５ｃによってそれぞれ連結される。各傾斜側壁１５ｃは、台形形状に形成されている。透光性部材１５は、サファイア基板１４１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１５の第一の面１５ａ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。また、透光性部材１５の第二の面１５ｂは、透光性を有する樹脂（不図示）でサファイア基板１４１の裏面１４１ｂ（すなわち、発光チップ１４の裏面１４ｂ）の全体に接着されている。
【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、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は、透光性部材２５が直方体状に形成されるとともに、その第一及び第二の面２５ａ，２５ｂが同一面積とされ、側面２５ｃが上下方向に平行に向けられている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、比較例に係る発光チップ２２では、平面形状が矩形状のサファイア基板２４１と、サファイア基板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に係る発光ダイオード１（図１参照）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、サファイア基板１４１と透光性部材１５との界面である発光チップの裏面１４ｂに入射して、一部が透光性部材１５側へ透過し（光路Ａ３）、残りが反射される（光路Ａ４）。反射して光路Ａ４を伝播する光は、積層体１４２に入射して吸収され、外部に取り出すことができない。透光性部材１５側へ透過して光路Ａ３を伝播する光は、第一の面１５ａに入射して、リードフレーム１１の表面１１ａ（図１参照）で反射される（光路Ａ５）。
【００２５】
光路Ａ５を伝播する光は、透光性部材１５の傾斜側壁１５ｃと空気層との界面に入射角θ１で入射して、一部が空気層側へ透過して放出され（光路Ａ６）、残りが反射される（光路Ａ７）。反射されて光路Ａ７を伝播する光は、透光性部材１５の第二の面１５ｂに入射角θ２で入射して、一部がサファイア基板１４１側へ透過して積層体１４２に吸収され（光路Ａ８）、残りが反射される（光路Ａ９）。光路Ａ９を伝播する光は、第一の面１５ａに入射して、リードフレーム１１の表面１１ａ（図１参照）で反射された後、傾斜側壁１５ｃに入射し、その一部が空気層側へ放出される（光路Ａ１０）。
【００２６】
これに対し、図３に示すように、比較例に係る発光チップ２２の光路Ｂ１〜Ｂ５は、実施の形態１に係る発光チップ１２の光路Ａ１〜Ａ５と同様となるが、実施の形態１における光路Ａ５は傾斜側壁１５ｃに入射するのに対し、比較例の光路Ｂ５は透光性部材２５の側面２５ｃに入射される。比較例の光路Ｂ５は、側面２５ｃと空気層との界面に入射角θ３で入射しており、一部が空気層側へ透過して放出され（光路Ｂ６）、残りが反射される（光路Ｂ７）。ここで、入射角θ３は、実施の形態１の入射角θ１より大きい角度となるように変わるため、光路Ｂ６を伝播する光は、光路Ａ６を伝播する光より少なくなり、条件によっては、側面２５ｃから光が放出することなく側面２５ｃで全反射される。
【００２７】
反射されて光路Ｂ７を伝播する光は、透光性部材２５の第二の面２５ｂに入射角θ４で入射して、一部が空気層側に放出され（光路Ｂ８）、残りが反射される（光路Ｂ９）。光路Ｂ８を伝播する光の方向は、サファイア基板２４１を通じて積層体２４２に向かっており、その大部分が積層体２４２に吸収される。また、入射角θ４は、実施の形態１の入射角θ２と変わって小さくなるため、比較例の光路Ｂ９を伝播する光が実施の形態における光路Ａ９を伝播する光より少なくなる。従って、光路Ｂ９を伝播してから透光性部材２５の第一の面２５ａ及び第二の面２５ｂで反射されて空気層側へ放出される光は、実施の形態１における光路Ａ１０を伝播する光に比べて少なくなる。
【００２８】
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、透光性部材１５に傾斜側壁１５ｃを形成したので、比較例の光路Ｂ６に比べ、光路Ａ６にて光を多く放出することができる。また、比較例では光路Ｂ８で光が放出されるものの積層体２４２で大部分が吸収され、光路Ｂ９以降を伝播する光も少なくなるのに対し、実施の形態１では、光路Ａ７，Ａ９を経て光路Ａ１０で放出する光を多くすることもできる。これにより、実施の形態１では、積層体１４２に戻る光の割合を低く抑え、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。
【００２９】
なお、サファイア基板は硬くて加工が容易でないので、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。実施の形態１に係る発光ダイオード１では、サファイア基板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板１４１を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。
【００３０】
以下、実施の形態１とは異なる実施の形態２，３について説明する。なお、実施の形態２，３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。
【００３１】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２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。実施の形態２に係る発光ダイオードは、実施の形態１に対し、透光性部材１５の形状を上下反転させたように変えた点のみにおいて相違する。すなわち、実施の形態２の透光性部材１５では、第一の面１５ａが表面（図４中上面）となって、透光性を有する樹脂（不図示）でサファイア基板１４１の裏面１４１ｂ（発光チップ１４の裏面１４ｂ）の全体に接着されている。また、第二の面１５ｂが裏面（図４中下面）となって、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（図１参照）に接着されている。
【００３２】
次に、実施の形態２に係る発光ダイオード１による輝度改善効果について、上記の比較例を参照しながら説明する。実施の形態２に係る発光ダイオード１の光路Ｃ１〜Ｃ５は、比較例に係る発光ダイオード２の光路Ｂ１〜Ｂ５と同様となるが、実施の形態２における光路Ｃ５は傾斜側壁１５ｃに入射角θ５で入射しており、一部が空気層側へ透過して放出され（光路Ｃ６）、残りが反射される（光路Ｃ７）。ここで、入射角θ５は、比較例の入射角θ３より大きい角度となるように変わるので、光路Ｃ６に比べて多くの光が光路Ｃ７を伝播する。この光路Ｃ７を伝播した光は、透光性部材１５の第一の面１５ａに入射し、一部が空気層側へ透過して放出され（光路Ｃ８）、残りも反射されてから空気層側へ透過して放出される（光路Ｃ９）。つまり、光路Ｃ５を伝播した光は、光路Ｃ６〜Ｃ９を伝播して多くの割合で空気層側へ放出される。
【００３３】
従って、実施の形態２に係る発光ダイオード１によっても、比較例に比べ、積層体１４２に戻る光の割合を低く抑え、輝度の向上を図ることができる。
【００３４】
（実施の形態３）
図５Ａは、実施の形態３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５Ｂは、実施の形態３に係る発光ダイオードの断面模式図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、実施の形態３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。
【００３５】
実施の形態３の発光チップ１２は、実施の形態１の発光チップ１２と同様にチップ１４及び透光性部材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３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。
【００３６】
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、実施の形態１或いは実施の形態２に係る発光ダイオード１と同様の構成を有し、透光性部材１５の形状をそれぞれ異ならせた４種類の発光ダイオード１（実施例１〜４）と、比較例と同様となる透光性部材２５の形状とした発光ダイオード（比較例）とを作成した。
【００３７】
実施例１〜４、及び比較例の全てにおいて同一仕様の発光チップ１２，２２（図２〜図４参照）を用いた。具体的には、発光チップ１２，２２は、表面及び裏面の面積（縦×横）が０．５９５ｍｍ×０．２７０ｍｍで、厚み（高さ）が０．１０ｍｍのサファイア基板１４１，２４１に、ＧａＮ半導体層からなる発光層を含む積層体１４２，２４２が形成されたものとした。サファイア基板１４１，２４１と透光性部材１５，２５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。
【００３８】
実施例１〜４、及び比較例で用いられた発光チップ１２，２２は、透光性部材１５，２５として、厚みが０．１０〜０．１５ｍｍのガラスをそれぞれ用いた。実施例１で用いられた透光性部材１５は、実施の形態２の透光性部材１５と同様の形状に形成し、実施例２〜４で用いられた透光性部材１５は、実施の形態１の透光性部材１５と同様の形状に形成した。実施例１〜４における透光性部材１５の第一の面１５ａの面積（縦×横）は、０．８ｍｍ×０．８ｍｍに形成し、比較例の透光性部材２５における第一及び第二の面２５ａ，２５ｂの面積も、０．８ｍｍ×０．８ｍｍに形成した。実施例１，２における透光性部材１５の第一の面１５ａと傾斜側壁１５ｃとでなす角度α（以下、単に、角度αと称する）を６０°、実施例３における角度αを３０°、実施例４における角度αを４５°に形成した。
【００３９】
本実験では、各発光ダイオード１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２５を直方体状とした比較例を基準（１００％）とする輝度に換算した。図６は、測定結果を示すグラフである。図６において、縦軸は、輝度（％）を示している。実施例１〜４は、比較例に比べ、輝度が約２〜３％高まっており、光の取り出し効率を高めることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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チップ１４を例示したが、結晶成長用基板としてＧａＮ基板を用いる等、結晶成長用基板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、サファイア基板等の結晶成長用基板を薄くすると良いが、結晶成長用基板は必ずしも薄くなくて良い。
【００４２】
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。
【００４３】
更に、透光性部材１５の形状は、錐台形状であればよく、四角錐台形状の他、円錐台形状、楕円錐台形状、ｎ角錐台形状（ｎは３以上の自然数）としてもよい。
【００４４】
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】
【００４５】
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】
【００４６】
１  発光ダイオード
１２  発光チップ
１４  チップ
１４１  サファイア基板
１５  透光性部材
１５ａ  第一の面
１５ｂ  第二の面
１５ｃ  傾斜側壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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