(57)【要約】【課題】蛍光体チップを発光素子上に戴置する際に、位置合わせに時間がかかるという問題を解消する。【解決手段】光学機能層の外周に枠部を形成し、枠部が発光素子に接する部分に位置合わせ構造を形成する。枠部は、ガラス、セラミック、樹脂の他、シリコン（Ｓｉ）が好適に用いられる。また、光学機能層は、蛍光体の他、遮光膜、散乱材、マイクロレンズであってもよい。枠部と位置合わせ構造の機能により、発光素子と光学機能層とを組み合わせた発光装置が簡便な工程で製造できる利点がある。【選択図】        図１
2008198702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学機能層と、
前記光学機能層外周を囲み、位置合わせ構造を形成された枠部と、
発光素子と、
を含み、
前記発光素子に、前記枠部と前記光学機能層が前記位置合わせ構造によって位置合わせがされた状態で戴置されている
ことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記光学機能層は、蛍光体を含有することを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記光学機能層は、散乱材を含有することを特徴とする、請求項１から請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記光学機能層は、遮光部が形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記位置合わせ構造は、段差構造または突起構造のいずれか一方を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記枠部は、ガラス、セラミック、樹脂のいずれか一つにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
前記枠部は、シリコン（Ｓｉ）からなることを特徴とする請求項１から請求項５に記載の発光装置。
【請求項８】
前記枠部には、前記発光素子との間に電気的接続部が形成され、更に外部電気回路と接続するための外部電気端子が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記枠部は、放熱コーティングが施されていることを特徴とする請求項１から請求項８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記枠部は、前記発光素子との間に電気的接続部が形成され、更に外部電気回路と接続するための外部電気端子が形成され、かつ、静電保護素子としてコンデンサまたはダイオードが形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記枠部は、遮光部を持つことを特徴とする請求項１から請求項１０に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）からの発光を蛍光体によって変換して他の波長の光を得る、波長変換型発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外又は青色ＬＥＤ等に、ＬＥＤからの発光を他の波長に変換する蛍光体とを組合せて白色光を得る、いわゆる白色ＬＥＤが広く使用されている。使用されている製品は、例えば、液晶用バックライトや小型照明等である。
【０００３】
白色ＬＥＤは、見る方向によって色が変わる、いわゆる色むらの発生を防止するため、蛍光体層を均一に形成する技術がいくつか開発されている。
【０００４】
特許文献１には、ＬＥＤチップの上に、別体に形成した蛍光体チップを配置し、爪で係合するものが開示されている。従って、蛍光体チップを発光素子に押し付け、固定できる利点がある。
【特許文献１】特開２０００−０２２２２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記文献は、いずれも蛍光体チップをＬＥＤチップ上に戴置するものである。しかし、ＬＥＤチップ及び蛍光体チップのいずれも１ｍｍ角より小さく、戴置工程の際に位置合わせに時間がかかるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、光学機能層と、前記光学機能層外周を囲み、位置合わせ構造を形成された枠部と、発光素子と、を含み、前記発光素子に、前記枠部と前記光学機能層が前記位置合わせ構造によって位置合わせがされた状態で戴置されていることを特徴とする、本発明の発光装置の構成により、解決される。
【０００７】
光学機能層は、発光素子からの発光を受けて、その発光波長より長波長の蛍光を発する蛍光体を含んでもよい。
【０００８】
また、光学機能層は、発光素子からの発光を受けて、その光を散乱する散乱材を含んでもよい。
【０００９】
また、光学機能層は、発光素子からの発光の一部を遮る遮光部を形成してもよい。
【００１０】
また、光学機能層は、その表面にマイクロレンズを形成してもよい。
【００１１】
また、位置合わせ構造は、ＬＥＤチップと嵌め合わせることができるように段差構造または突起構造をとってもよい。
【００１２】
また、枠部は、ガラス、セラミック、樹脂のいずれかによって形成してもよい。
【００１３】
また、枠部は、シリコン（Ｓｉ）によって形成してもよい。
【００１４】
また、枠部は、発光素子との間に電気的接続部を形成してもよい。この場合、更に外部の電源等の電気回路に接続するため、外部接続端子を形成する。
【００１５】
また、枠部がシリコンによって形成された場合、発光素子との間に電気的接続部を設け、更に、既知の半導体プロセスによってコンデンサやダイオード等の発光素子のための静電保護素子を形成してもよい。
【００１６】
また、枠部に、発光素子の発光の一部を遮る遮光部を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の構成により、光学機能層を保持する枠部を発光素子上に戴置する際に、位置合わせが簡単となり、時間を要しないと言う効果がある。
【００１８】
光学機能層に、発光素子からの発光を受けて、その発光波長より長波長の蛍光を発する蛍光体を含むことで、例えば発光素子からの発光と蛍光体からの発光の両者の混合光を得ることができる。例えば発光素子として青色ＬＥＤを用い、蛍光体として青色光を吸収して黄色い蛍光を発するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を使用することで白色光を得る等が考えられる。
【００１９】
光学機能層に、発光素子からの発光を受けて、その光を散乱する散乱材を含むことで、発光素子面内の発光むらの影響を緩和し、均一な発光面を得ることができる。例えば、発光素子として、大きさが１ｍｍ角又はそれ以上あるものを用いる場合、発光素子面内の発光強度の均一性に問題が生じることがあるが、これを緩和するために有用である。
【００２０】
光学機能層に、発光素子からの発光の一部を遮る遮光部を形成することで、光源としてのサイズを小さくしたり、所定の配光を得たりすることができる。例えば、発光部の形状を車両用灯具のすれ違い配光の形状となるように遮光部形状を形成することで、半導体発光素子を光源とした車両用前照灯をより小さく形成することができるため、有用である。
【００２１】
光学機能層の表面にマイクロレンズを形成することで、発光素子からの発光の配光を所望のパターンに制御することができる。
【００２２】
位置合わせ構造は、段差や突起構造とすれば、エッチング等でより簡単に形成できる。
【００２３】
枠部は、ガラス、セラミック、樹脂のいずれかを採用することは、製造コストや加工のしやすさの観点から好ましい。
【００２４】
枠部は、発光素子との間に電気的接続を有することで、枠部と発光素子とを一体化した素子として扱うことができ、好ましい。
【００２５】
枠部は、シリコンで形成された場合は、発光素子との電気的接続に加えて、更にコンデンサやダイオード等の静電保護素子を形成することができ、枠部と組み合わせた以降の製造工程において素子が静電的に破壊されることを防ぐことができる。
【００２６】
枠部は、その加工の際に形状を調整して遮光部を含む構成とすることで、所望の配光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）図１の左側は、本発明の第１の実施形態を表す斜視図、右側は点線Ａ−Ａ’の断面図である。発光素子９は、基板６の上に形成された半導体層５と、半導体層５のうちｐ型層に接続されたｐ型オーミック電極３と、ｎ型層に接続されたｎ型オーミック電極４と、ｐ型オーミック電極３からの電流を拡散する目的でｐ型層表面に形成された補助電極７とを含む。なお、補助電極７は、透明電極をｐ型層表面に形成することで置き換えてもよい。また、透明電極の上に補助電極７を形成しても良い。
【００２９】
ｐ型オーミック電極３、ｎ型オーミック電極４に対し、通常は、Ａｕ線等がワイヤボンドされ、このＡｕ線等によって電源等の外部回路に接続される。Ａｕ線等を介して電流が印加されたとき、発光素子９は半導体層５の構成よって定まる波長で発光する。
【００３０】
発光素子９は、例えばＩｎＧａＮを発光層として用いた窒化ガリウム系青色発光ダイオードが好適に用いられる。かかる発光ダイオードは、発光層のＩｎ組成に応じて緑色から近紫外の光まで発光波長を変えることができる。従って、光学機能層として蛍光体層を用いる場合、本発明の目的に適した蛍光体の励起波長に応じた、最適の波長を選択すればよい。この場合、窒化ガリウム系発光ダイオード以外には、酸化亜鉛系発光素子、ＳｉＣ系発光素子、ＺｎＳｅ系発光素子等も本発明の発光素子として使用しうる。
【００３１】
枠部２は、その内側に光学機能層として蛍光体層１を保持している。枠部２下側には、発光素子９の大きさに合わせた段差状の位置合わせ構造８が形成されている。また、枠部２は、ワイヤボンディングを行うための部分であるｐ型オーミック電極３とｎ型オーミック電極４の上を覆わないよう、対応する部分を切り欠いた形状としている。蛍光体層１は、蛍光体の組成や濃度によって相違するものの、概ね厚さが１０〜７００μｍ程度である。
【００３２】
なお、ｐ型オーミック電極３またはｎ型オーミック電極４のいずれか一方が発光素子９の下面にある場合、対応する部分を切り欠く必要がなくなり、構造がより簡単になる。ｐ型オーミック電極３およびｎ型オーミック電極４の双方が発光素子９の下面にある、いわゆるフリップチップ型の実装構造をとる場合、枠部２の形状は発光素子９の外形に合わせた正方形ないし長方形とするのみでよい。
【００３３】
枠部２は、発光素子９の上面に、蛍光体層１の位置ずれが起きないように組み合わされる。発光素子に電流が印加され、発光したとき、発光素子９の上面から出る光は、光学機能層１に入射する。蛍光体層１は、この光の一部を吸収し、入射した光の波長とは別の波長の蛍光を発する。この結果、蛍光体層１に入射して変換されなかった発光素子９からの光と、変換された光とで混色光を形成してデバイス外部に放出される。なお、蛍光体層１の構成と発光素子９の構成によっては、蛍光体層１は発光素子９からの発光の、実質的に全てを吸収し、他の波長に変換する。この場合、蛍光体層１からの蛍光のみがデバイス外部に放出される。
【００３４】
枠部２は、蛍光体層１を保持し、また、発光素子９の上に配置する際の取り扱いがしやすい材料であればよい。特に、発光素子９の大きさが小さい場合には位置合わせ構造８の大きさが小さくなるため、微細な加工がし易い材料が好適である。更に、発光素子９に定格以上の電流を印加して高い発光出力を得たい場合には、発光素子９が発熱する関係上、熱的に変性しにくいものがさらに好適である。このような材料として、ガラス、セラミック、樹脂などが挙げられる。また、シリコン（Ｓｉ）は、微細加工のし易さと耐熱性を備えるほか、安価でもあるため、好適に使用できる。ガラスまたはシリコンを用いる場合は、ガラス基板またはシリコンウェハに対してフォトリソグラフィ技術によるパターニングと通常のエッチング技術を適用することにより、枠部２の製造が可能である。また、セラミックならば、原材料を開口と位置合わせ構造を縦横に配列させた集合基板の型でプレスし、焼成すればよい。樹脂であれば、通常の成型技術を必要に応じて適用できる。
【００３５】
蛍光体層１は、バインダーとなる樹脂に蛍光体を混合させたものよりなる。発光素子９として青色発光ダイオードを用い、これに黄色蛍光体を組み合わせて白色光を得たい場合、好適にはＹＡＧ：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ等が用いられる。また、発光素子として青色発光ダイオードを用い、これに緑色蛍光体と赤色蛍光体を組み合わせて白色光を得たい場合、好適には、緑色蛍光体として（Ｓｒ，Ｃａ）Ｇａ２Ｓ４：Ｅｕ、赤色蛍光体としてＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕや（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓ：Ｅｕ等が用いられる。
【００３６】
バインダーとなる樹脂として、耐熱性と耐光性が求められる。特にシリコーン樹脂がこの要求を満たし、好適に用いられる。シリコーン樹脂の中でも、硬化後も表面タック性を持ちつづける柔軟で粘着性のある樹脂は、発光素子９に蛍光体層１が張り付くため、別体に用意した蛍光体層１と枠部２を発光素子９に配置する際に接着材料を用いる必要がない。従って、かかる工程が簡便で済む利点がある。
【００３７】
枠部２に蛍光体層１を形成するためには、開口を縦横に複数個形成した集合基板を製造し、その開口に蛍光体含有樹脂を充填すればよい。その後、開口を含む枠部をダイシング工程で切り出して個片化することで個別の枠部２が製造できる。
【００３８】
なお、光学機能層として、散乱材を含む散乱層を選択することもできる。特に、発光素子９のような補助電極７を必要とするほど電流の面内拡散が必要となる素子では、素子面内の発光均一性がうまく得られないという問題がある。特に大きさが１ｍｍ角ないしそれ以上の半導体発光素子を用いる場合に有効となろう。
【００３９】
更に、光学機能層として、表面にマイクロレンズを形成することも出来る。特に、発光素子単体である程度の配光特性を必要とする、小型の電子部品を必要とする分野では有効となろう。
【００４０】
（第２の実施形態）図２の左側は、本発明の第２の実施形態を表す斜視図、右側は点線Ｂ−Ｂ’の断面図である。なお、同一の部分に対しては同一の番号を付し、本実施形態に特有の特徴以外の説明は以後省略する。
【００４１】
枠部２には、発光素子９と電気的に接続するためのパッド部１０ａ、１１ａ及び枠部２の側面の配線を介して外部回路等と接続するための端子部１０ｃ、１１ｃが形成されている。また、発光素子９のｐ型オーミック電極３の上にパッド部１０ｂが、ｎ型オーミック電極４の上に接続パッド部１１ｂが形成され、枠部２のパッド部１０ａ、１１ａと対応して形成されている。
【００４２】
枠部２を発光素子９上に、位置合わせ構造８を利用して正確に配置することで、パッド部１０ａ、１１ａは正しく発光素子９のパッド部１０ｂ、１１ｂの上に接触して配置されることになる。かかる状態で、電気的接続を確実にするためにパッド部の加熱を行うことで、簡単に枠部２を固定しつつ、端子部１０ｃ、１１ｃから外部回路等に接続することができるようになる。
【００４３】
ここで、枠部２をシリコンで形成した場合、事前にシリコンに対してドーピング等を行っておくなどして、端子部１０ｃと１１ｃの間に静電保護素子としてダイオードやコンデンサを作ることができる。このような構成は、特に静電的に弱い傾向がある窒化ガリウム系半導体発光素子を使用する場合に有用である。
【００４４】
（第３の実施形態）図３の左側は、本発明の第３の実施形態を表す斜視図、右側は点線Ｃ−Ｃ’の断面図である。図３において、枠部２の開口形状は、遮光部１２が形成されているために特有の形状となっている。この開口形状は、車両用前照灯のすれ違い配光を実現するため、カットオフを遮光部１２によって形成するものである。遮光部１２は、枠部２を製造する際の、例えばフォトリソグラフィ技術を用いる際のパターンをこの形状とするだけで簡単に形成できる。
【００４５】
なお、実際上、車両用前照灯を本実施形態の発光装置を用いて実現する場合には、カットオフ部分近傍に焦点を持つ投射レンズ（図示せず）を必要とする。
【００４６】
遮光部１２の形状は目的に応じて適切な形状とすることができる。例えば、車両用前照灯のために横長の配光を要求される場合に、開口形状を長方形とするように遮光部１２を形成することもできる。また、装飾用の発光装置として、例えば星型の開口形状とすることも自在である。
【００４７】
遮光部１２および枠部２の上側表面には、放熱コーティングやアルマイト処理を行って赤外線輻射等を促進し、放熱に役立てても良い。特に、車両用前照灯として本実施形態の発光装置を用いる場合、大電流を印加することとなるため、発光素子９の発熱が非常に多くなる。また、光学機能層１に蛍光体が含まれる場合、蛍光体のストークスシフトによって蛍光体自体も熱を発する。これらを熱を放出する手段の一つとなりうる。
【００４８】
なお、本実施形態において、遮光部１２は枠部２の開口形状を適当な形状として形成したものである。しかし、光学機能層１の表面ないし裏面に適当な形状の遮光膜を形成することで代用しても良い。
【００４９】
本実施形態において、発光素子９はいわゆるフリップチップ接合の実装形式をとっている。この場合、枠部２は、発光素子９の基板６の上に位置合わせ構造８によって正確に配置されることとなる。ただし、第２の実施形態のように、ｐ型およびｎ型オーミック電極が上面側に現れても本発明の効果を損なわない。なお、ｐ型およびｎ型オーミック電極が上面側ある場合、遮光部１２に第２の実施形態にある端子部１０ｃ、１１ｃ等を形成しても良い。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明の実施例を示す。実施例１では、Ｓｉ製の枠部を作製した。
【００５１】
表面が（１００）面である単結晶Ｓｉウェハ基板（以後、単にＳｉウェハ基板と呼ぶ）を、正方形の開口形状となるようにフォトリソグラフィによりパターニングした。パターニングは図４に示すものである。その後、Ｓｉウェハ基板は、蛍光体含有樹脂を充填する側となる表面をウェットエッチングによって加工された。ウェットエッチングの際、アルカリ系エッチング溶液としてＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用いた結晶異方性エッチングを行うことで、Ｓｉウェハ基板は、枠部内側面に傾斜した（１１１）面を露出された。この面の傾斜角は、Ｓｉウェハ基板の表面に対して５４．７°である（開口部側から計測すると１２５．３°）。
【００５２】
その後、Ｓｉウェハ基板は、図４の点線のように裏面に再度パターニングが施され、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により裏面側から開口部が形成された。ここでは、位置合わせ構造を作製するため、Ｓｉウェハ基板の表面側のエッチングパターンより、裏面側からのエッチングパターンの方が大きくなるようにした。Ｓｉウェハ基板は、その厚みを３００μｍ、開口形状を表面側が一辺９６０μｍの正方形、裏面側が９００μｍの正方形とした。ここで、表面側からエッチングする深さと裏面側からエッチングする深さがそれぞれ１５０μｍとして設定したため、Ｓｉウェハ基板の厚さ方向の中央で貫通した。
【００５３】
次に、Ｓｉ製の枠部による光吸収を防止するため、Ｓｉ表面には、反射材料としてＡｇ反射膜を電解メッキ法により形成された。
【００５４】
図５は、枠部内にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体含有樹脂を充填した状態を示したものである。蛍光体含有樹脂の充填は、蛍光体粒子を予め分散させておいたシリコーン樹脂を、枠部開口を用いてスキージですり切ることにより、開口部の深さに応じた一定の膜厚が得られた。その後、樹脂を硬化させ、ダイシングを行って個片化した。ダイシングを行った結果、図６に示す枠部を個片として得ることができた。図６のうち、ＲＩＥでエッチングしたことで側面が垂直となった枠部下半分は、発光素子と組み合わされることとなる。一方で、ウェットエッチングによって側面が傾斜した枠部上半分には、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体含有樹脂が充填される。
【００５５】
図７は、フリップチップ実装した発光素子の上に、個片化したＳｉ製の枠部を配置した状態を図示した。枠部は、シリコーン樹脂のタック性を利用してチップ上に配置した。その後、発光素子と枠部を含む全体をシリコーン樹脂で封止することで、発光デバイスを作製できた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるＳｉウェハ基板のパターニングを示す図である。
【図５】本発明の実施例において、枠部内に蛍光体含有樹脂を充填したことを示す図である。
【図６】本発明の実施例において、個片化した枠部の断面を模式的に示した図である。
【図７】本発明の実施例において、枠部を発光素子の上に配置した図である。
【００５７】
１          光学機能層
２          枠部
３          ｐ型オーミック電極
４          ｎ型オーミック電極
５          半導体層
６          基板
７          補助電極
８          位置合わせ構造
９          発光素子
１０ａ        パッド部
１０ｂ        パッド部
１０ｃ        端子部
１１ａ        パッド部
１１ｂ        パッド部
１１ｃ        端子部
１２          遮光部
１３          Ｓｉ（１１１）面
【図１】
2008198702.tif 000003
【図２】
2008198702.tif 000004
【図３】
2008198702.tif 000005
【図４】
2008198702.tif 000006
【図５】
2008198702.tif 000007
【図６】
2008198702.tif 000008
【図７】
2008198702.tif 000009