(57)【要約】【課題】半導体発光装置の輝度を向上する。【解決手段】支持体(1)の支持面(1a)に固着される半導体発光素子(2)と、半導体発光素子(2)を包囲する環状の側壁(3)と、側壁(3)内で半導体発光素子(2)の側面(2b)を被覆する光反射性の被覆体(4)とを備え、被覆体(4)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)と支持体(1)の支持面(1a)との間で基板(21)の側面(21b)の全体を環状に被覆する。光吸収性を有する基板(21)を使用するので、発光層(23)が発する光のうち側壁(3)に反射して基板(21)に向かう光が吸収される問題が発生するが、本発明では、被覆体(4)により発光層(23)から放出される光の一部を基板(21)以外の方向に反射し、基板(21)による光の吸収量を減少して、半導体発光素子(2)の上方に向かう光量を増大できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、該支持体の支持面に固着される半導体発光素子と、前記半導体発光素子を包囲して前記支持体の支持面の外周部に設けられる環状の側壁と、該側壁内に配置されて前記半導体発光素子の側面を被覆し且つ光反射性物質を包含する被覆体とを備え、
前記半導体発光素子は、基板と、該基板の上面に形成された発光層を含む化合物半導体層とを有し、
前記基板は、前記化合物半導体層の発光層が発する光に対して吸収性を有し、
前記被覆体は、前記化合物半導体層の発光層と前記支持体の支持面との間で前記基板の側面の全体を環状に被覆することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子の上面と、前記被覆体の上面とを被覆する保護体を設け、
該保護体に蛍光体を配合した請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記側壁は、前記化合物半導体層の発光層より下方で且つ前記支持体の支持面の上方に形成された段差面を内面に備え、
前記段差面と前記被覆体との光反射率は、相違する請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層の発光層の光を反射する反射膜層を前記基板と前記化合物半導体層との間に設けた請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード等の半導体発光装置、特に化合物半導体層の発光層が発する光を基板が吸収するのを抑制できる半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
支持体と、支持体の支持面に固着される半導体発光素子と、半導体発光素子を包囲して支持体の支持面の外周部に設けられる環状の側壁と、半導体発光素子の上面及び側面を被覆する保護体とを備える半導体発光装置は、例えば、下記特許文献１により公知である。特許文献１では、半導体発光素子は、サファイア基板等の光透過性を有する絶縁性基板と、絶縁性基板の上面に形成された発光層（活性層）を含む窒化ガリウム系化合物等の化合物半導体層とを有する。これに対し、窒化ガリウム系化合物半導体の成長基板としてシリコン基板を有する半導体発光素子は、下記特許文献２により公知である。特許文献２の半導体発光素子は、成長基板としてサファイア基板を使用する特許文献１と比較して、材料コストが安価で且つ半導体発光素子の製造が容易となる利点を有する。
【０００３】
近年、半導体発光素子を使用した擬似白色発光ダイオードが実現されている。このような発光ダイオードでは、上述した半導体発光素子を被覆する保護体中に蛍光体を配合し、半導体発光素子からの光と蛍光体により波長変換された光とを混合することによって、白色系の発光を得ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４９３４０公報
【特許文献２】特開２００５−１７５４６２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シリコン基板は、サファイア基板と比較して、不透明で且つ高い光吸収性を有し、窒化ガリウム系化合物半導体の発光層が発する光を透過させずに吸収する問題があった。特許文献２の半導体発光素子では、発光層の下方に反射膜層を備え、反射膜層により、発光層からシリコン基板に直接向かう光を反射して、半導体発光素子の上方に向かう光量を増大することができる。しかしながら、発光層から半導体発光素子の側面を通じて放出された光は、側壁に反射して、その一部がシリコン基板に吸収される。よって、半導体発光装置の輝度を十分に高めることができなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、基板に向かう発光層の光の一部が光吸収性を有する基板に吸収され、半導体発光装置の輝度が低下するのを抑制できる半導体発光装置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】
【０００７】
本発明の半導体発光装置は、支持体(1)と、支持体(1)の支持面(1a)に固着される半導体発光素子(2)と、半導体発光素子(2)を包囲して支持体(1)の支持面(1a)の外周部に設けられる環状の側壁(3)と、側壁(3)内に配置されて半導体発光素子(2)の側面(2b)を被覆し且つ光反射性物質を包含する被覆体(4)とを備える。半導体発光素子(2)は、基板(21)と、基板(21)の上面(21a)に形成された発光層(23)を含む化合物半導体層(22)とを有し、基板(21)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)が発する光に対して吸収性を有する。被覆体(4)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)と支持体(1)の支持面(1a)との間で基板(21)の側面(21b)の全体を環状に被覆する。本発明では、支持面(1a)と発光層(23)との間で基板(21)の側面(21b)を被覆体(4)により被覆するので、化合物半導体層(22)の発光層(23)が発する光のうち、側壁(3)に反射して光吸収性を有する基板(21)に向かう光が基板(21)に吸収されずに、被覆体(4)内に包含される光反射性物質により発光層(23)から放出される光の一部を基板(21)以外の方向に反射することができる。これにより、基板(21)による光の吸収量を減少して、半導体発光素子(2)の上方に向かう光量を増大し、半導体発光装置の輝度を向上することができる。
【発明の効果】
【０００８】
前記の通り、本発明では、半導体発光素子の基板による光の吸収を減少させて、高輝度の半導体発光装置を提供することがきる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用した本発明による半導体発光装置の実施の形態を図１〜図６について説明する。
【００１０】
図１及び図２に示すように、本実施の形態の発光ダイオード(10)は、支持体(1)と、支持体(1)の支持面(1a)に固着される発光ダイオードチップ(2)と、発光ダイオードチップ(2)を包囲して支持体(1)の支持面(1a)の外周部に設けられる環状の側壁(3)と、側壁(3)内に配置されて発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)を被覆する被覆体(4)とを備える。支持体(1)の上端部に形成された凹部により支持体(1)と側壁(3)とが一体に形成され、凹部内の底面に支持面(1a)が形成される。側壁(3)は、発光ダイオードチップ(2)の光を集光して指向性及び正面輝度を向上するリフレクタの役割を有し、支持面(1a)から上方に向かって垂直に又は拡径して形成される。支持体(1)の下端部には、第１の外部リード(6)が支持体(1)から延伸して形成され、第１の外部リード(6)に隣接して第２の外部リード(7)が配置される。支持体(1)、側壁(3)、第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)は、例えば、銅、鉄若しくはアルミニウム又はこれらの合金等の金属により形成される。
【００１１】
発光ダイオードチップ(2)は、シリコン基板(21)と、シリコン基板(21)の上面(21a)に形成された発光層(23)を含む化合物半導体層(22)とを有する。本実施の形態では、化合物半導体層(22)は、約３６５nm〜５５０nmの波長で発光するGaN（窒化ガリウム）系化合物半導体から成り、例えば、発光ダイオードチップ(2)として、発光波長のピークが約４４０nm〜４７０nmのGaN系青色発光ダイオードチップを使用する。化合物半導体層(22)は、例えば、ｎ型又はｐ型のシリコン基板(21)の上面(21a)にGaNによりｎ型半導体領域が形成され、ｎ型半導体領域上にInGaNにより発光層（活性層）(23)が形成され、発光層(23)上にGaNによりｐ型半導体領域が形成される。ｐ型半導体領域上には、アルミニウム等の金属膜から成るアノード電極（上面電極）(11)が形成され、シリコン基板(21)の下面には、アルミニウム等の金属膜から成るカソード電極（下面電極）(12)が形成される。発光ダイオードチップ(2)のアノード電極(11)は、第２の外部リード(7)の上端部とリード細線(8)により電気的に接続され、カソード電極(12)は、半田等の導電性接着剤(9)により支持体(1)の支持面(1a)に固着され、電気的に接続される。
【００１２】
本実施の形態では、シリコン基板(21)と化合物半導体層(22)との間に発光層(23)の光を反射する反射膜層(24)が形成される。発光層(23)からシリコン基板(21)に直接向かう光を反射膜層(24)により反射して、発光ダイオードの輝度を更に向上することができる。反射膜層(24)は、例えば、アルミニウム、銀、金及び銅等の金属又はその合金により形成できる。また、反射膜層(24)は、シリコン基板(21)及び化合物半導体層(22)の全面又は略全面に形成することが好ましい。
【００１３】
被覆体(4)は、例えば、不透明なシリコーン樹脂等の材料により形成され、粉末状の酸化チタン等の光反射性物質が配合される。被覆体(4)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)と支持体(1)の支持面(1a)との間でシリコン基板(21)の側面(21b)の全体を環状に被覆する。被覆体(4)は、シリコーン樹脂以外の様々な樹脂により形成することができる。また、金属アルコキシド等の樹脂以外の材料により被覆体(4)を形成してもよい。シリコン基板(21)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)が発する光に対して光吸収性を有し、被覆体(4)を有さない従来の発光ダイオードでは、発光層(23)が発する光のうち側壁(3)に反射してシリコン基板(21)に向かう光が吸収されるが、本実施の形態の発光ダイオード(10)では、支持面(1a)と発光層(23)との間でシリコン基板(21)の側面(21b)を被覆体(4)により被覆するので、被覆体(4)内に包含される光反射性物質により、シリコン基板(21)に向かう発光層(23)の光をシリコン基板(21)以外の方向に反射することができる。これにより、シリコン基板(21)による光の吸収量を減少して、発光ダイオードチップ(2)の上方に向かう光量を増大できる。
【００１４】
側壁(3)内には、保護体(5)が配置され、保護体(5)は、被覆体(4)によって被覆されない発光ダイオードチップ(2)の上面(2a)、側面(2b)のｐ型半導体領域及び発光層(23)並びに被覆体(4)の上面(4a)を被覆する。保護体(5)は、例えば、光透過性の金属アルコキシド等の材料により形成され、粉末状の蛍光体(25)が配合される。支持体(1)の凹部の深さは、発光ダイオードチップ(2)の高さよりも大きいため、凹部内に十分な厚さで保護体(5)を形成することができる。保護体(5)内に配合される蛍光体(25)により、化合物半導体層(22)の発光層(23)から放出される光を波長変換することができる。保護体(5)内に蛍光体(25)が含有されていると、発光層(23)からの光が蛍光体(25)によって散乱され、シリコン基板(21)側に向かう光量が増大するが、これらの光は、被覆体(4)により発光ダイオードチップ(2)の上方に向かって反射される。保護体(5)は、シリコーン樹脂又はエポキシ系樹脂により形成してもよい。
【００１５】
本実施の形態では、側壁(3)の内面(3a)は、階段状に形成され、化合物半導体層(22)の発光層(23)より下方で且つ支持体(1)の支持面(1a)の上方に形成された段差面(13)を備える。段差面(13)は、円形に形成された側壁(3)の内面(3a)に沿って環状に形成され、支持体(1)の支持面(1a)に対して平行に且つ平坦に形成される。側壁(3)の段差面(13)からの光反射を観察しながら、側壁(3)と発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)との間に被覆体(4)を充填することにより、被覆体(4)が段差面(13)上に溢れたときに生じる光反射量の変化によって、被覆体(4)の充填を停止することができる。これにより、被覆体(4)が化合物半導体層(22)の発光層(23)の側面(23b)まで被覆することが防止される。被覆体(4)が段差面(13)を覆った際に光反射量の変化が生じるように、段差面(13)の表面は、被覆体(4)と相違する光反射率に形成される。被覆体(4)の光反射率との差を大きくするために、例えば、梨地加工等の周知の表面加工法により、段差面(13)の表面に複数の微細な凹凸を形成して、段差面(13)の光沢を低減させてもよい。段差面(13)の光沢を増加して、被覆体(4)の光反射率との差を大きくしてもよい。また、側壁(3)の内面(3a)全体に凹凸を形成してもよく、凹凸により側壁(3)と被覆体(4)及び保護体(5)との接着性を向上することができる。
【００１６】
更に、保護体(5)の上面、第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)の一端は、光透過性を有するエポキシ樹脂等の材料から成る封止体(15)により被覆され、砲弾状に形成された封止体(15)の平坦な下面から第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)の他端が導出される。
【００１７】
発光ダイオード(10)の第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)間に電圧を印加し、発光ダイオードチップ(2)に通電して発光させると、保護体(5)内の蛍光体(25)によって発光ダイオードチップ(2)の光の一部がその発光波長と異なる他の波長に変換された後、封止体(15)を通じて発光ダイオード(10)の外部に放出される。例えば、GaN系化合物半導体層を有する発光ダイオードチップ(2)の光を蛍光物質を含有する保護体(5)により波長変換して白色光を発する発光ダイオード(10)を形成すると、発光ダイオードチップ(2)から放出される青色系の光と、青色系の光によって励起されて蛍光体(25)から放出される緑色系の光と赤色系の光とが混色する白色系の光を保護体(5)の外部に放出することができる。
【００１８】
被覆体(4)を有さない従来の発光ダイオードでは、発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)から放出される光の一部は、図１の光路Ｄに示すように、支持体(1)の支持面(1a)に反射して保護体(5)の外部に放出されるので、発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)から放出される光路Ｄの光と発光ダイオードチップ(2)の上面(2a)から放出される光路Ａ及びＢの光とでは、保護体(5)を通過する距離に大きな違いが生じた。保護体(5)を通過する距離が異なると、蛍光体(25)による光の波長変換の程度も異なるため、発光ダイオードを上方から見たときに、発光ダイオードの中央側と外周側とで発光色にムラが生じた。この種の問題は、GaN系化合物半導体層を有する発光ダイオードチップと蛍光体を含有する保護体との組み合わせから成る白色発光ダイオードに限らず、他の半導体発光装置でも同様に生じる。
【００１９】
しかしながら、本実施の形態の発光ダイオード(10)によれば、図１の光路Ｃに示すように、被覆体(4)により発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)から放出される光を反射して、従来よりも短い距離で保護体(5)を通過させることができる。よって、図１に示すように、保護体(5)を通る光路Ａ〜Ｃの長さの差が減少し、発光ダイオードチップ(2)の中央側と外周側とで光の波長変換率が均一化され、発光ダイオード(10)の発光に生じる色ムラを低減することができる。また、被覆体(4)によりシリコン基板(21)の光吸収量が減少され、発光ダイオードチップ(2)の外周側の輝度が向上するので、発光ダイオードチップ(2)の中央側と外周側とで発光輝度を均一化することができる。
【００２０】
図１及び図２に示す発光ダイオード(10)を製造する際に、発光ダイオードチップ(2)は、例えば、周知のエピタキシャル成長法によってシリコンウエハ上にｎ型半導体領域、発光層(23)及びｐ型半導体領域が順次設けられ、化合物半導体層(22)が形成される。次に、化合物半導体層(22)のｎ型半導体領域の下面に蒸着又はスパッタリングによりアルミニウム等の金属膜が形成される。導電性を有するシリコン基板(21)は、シリコンウエハにｎ型又はｐ型不純物をドーピングして形成され、シリコン基板(21)の上面(21a)に蒸着又はスパッタリングによりアルミニウム等の金属膜が形成される。化合物半導体層(22)の下面の金属膜と、シリコン基板(21)の上面(21a)の金属膜とを接合し、接合された金属膜により反射膜層(24)が形成される。続いて、蒸着又はスパッタリングにより、ｐ型半導体領域上にアルミニウム等の金属膜から成るアノード電極(11)が形成され、シリコン基板(21)の下面にアルミニウム等の金属膜から成るカソード電極(12)が形成されて、発光ダイオードチップ(2)が完成する。
【００２１】
次に、第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)が用意され、側壁(3)により包囲された支持体(1)の支持面(1a)に発光ダイオードチップ(2)のカソード電極(12)が半田等の導電性接着剤(9)により固着される。続いて、図示しないディスペンサ等の充填装置により、発光ダイオードチップ(2)と側壁(3)との間の間隙に酸化チタン等の光反射性物質が配合された流動性のシリコーン樹脂等から成る保護体(5)が充填される。本実施の形態では、図示しない画像認識装置により、側壁(3)の段差面(13)からの光反射を観察しながら、図３に示すように、側壁(3)と発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)との間に被覆体(4)を充填する。被覆体(4)は、支持面(1a)から上方に徐々に充填され、図４に示すように、被覆体(4)が段差面(13)上に溢れて、段差面(13)の光反射量が増大又は低減したとき、被覆体(4)の充填を停止する。段差面(13)は、化合物半導体層(22)の発光層(23)より下方で且つ支持体(1)の支持面(1a)の上方で側壁(3)に形成されるため、段差面(13)の光反射量が変化したときに、被覆体(4)の充填を停止することにより、発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)に露出する発光層(23)の側面(23b)が被覆体(4)によって被覆されるのを防止できる。支持体(1)の支持面(1a)、側壁(3)の段差面(13)及び発光ダイオードチップ(2)の発光層(23)が略平行に形成されるため、側壁(3)内に被覆体(4)を充填したときに、被覆体(4)は、発光ダイオードチップ(2)の４つの側面(2b)を同様の高さで被覆して、確実にシリコン基板(21)の側面(21b)を被覆できる。
【００２２】
従来では、被覆体(4)の充填量又は充填時間により、側壁(3)内に配置される被覆体(4)の分量が決定されていたが、本実施の形態では、側壁(3)の段差面(13)と画像認識装置とにより、正確に化合物半導体層(22)の発光層(23)と支持体(1)の支持面(1a)との間でシリコン基板(21)の側面(21b)を被覆体(4)により被覆することができる。発光層(23)よりも低い高さで被覆体(4)の充填を停止するので、発光層(23)の光の放出が被覆体(4)により阻害されないと共に、発光層(23)に被覆体(4)による圧力が加わらないため、発光ダイオードチップ(2)の特性が圧力により劣化するのを防止できる。
【００２３】
続いて、周知のワイヤボンディング法により、発光ダイオードチップ(2)のアノード電極(11)と第２の外部リード(7)の上端部とがリード細線(8)により電気的に接続される。充填装置により、蛍光体(25)が配合された光透過性の流動性材料を充填し、これに熱処理を施して金属アルコキシドから成る保護体(5)が側壁(3)内に形成され、その後、モールド成型によって、保護体(5)の上面、第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)の一端が光透過性を有するエポキシ樹脂等の材料により封止されて、封止体(15)が形成され、図２に示す発光ダイオード(10)が完成する。
【００２４】
本発明は、前記実施の形態に限定されず、更に種々の変更が可能である。例えば、化合物半導体層(22)は、GaN系の青色発光ダイオードチップに限定されず、GaP、GaAs、InP、GaAsP、InGaAlP、InGaAsP、GaAlAs又はZnSe系等の他の化合物半導体を適用してもよい。サファイア基板を備える発光ダイオードチップ(2)の周囲を被覆体(4)により被覆して、発光ダイオード(10)を形成してもよい。光吸収性が低いサファイア基板では、発光ダイオード(10)の輝度を向上する効果は、小さいが、被覆体(4)により発光ダイオードチップ(2)の中央側と外周側とで蛍光体(25)による光の波長変換率を均一化して、発光ダイオード(10)の発光に生じる色ムラを低減することができる。
【００２５】
図２に示す砲弾型の発光ダイオード(10)に限らず、図５に示すように、表面実装型の発光ダイオード(20)に本発明を適用してもよい。発光ダイオード(20)では、支持体(1)は、エポキシ樹脂等の絶縁性材料から成る支持板と、支持板の外周面に配置された帯状の第１の外部リード(6)と、第１の外部リード(6)とは離間して支持板の外周面に配置された帯状の第２の外部リード(7)とを備える。発光ダイオードチップ(2)が固着される支持体(1)の支持面(1a)は、第１の外部リード(6)の一端の上面に形成される。側壁(3)内に配置されたリード細線(8)により、発光ダイオードチップ(2)のアノード電極(11)と支持板上に配置された第２の外部リード(7)の一端とが接続される。側壁(3)は、絶縁性材料により支持板と一体に又は別体に第１の外部リード(6)及び第２の外部リード(7)上に形成される。側壁(3)内には、前述した発光ダイオード(10)と同様に被覆体(4)及び保護体(5)が配置される。発光ダイオード(20)は、封止体(15)を備えず、湾曲した保護体(5)の上面が発光ダイオードチップ(2)の光を集光するレンズの役割を有する。
【００２６】
図示する発光ダイオード(10,20)では、被覆体(4)は、発光層(23)と支持面(1a)との間でシリコン基板(21)の側面(21b)の全体を被覆するが、発光層(23)の下方に配置されるｎ型半導体領域又は反射膜層(24)が被覆体(4)から露出してもよい。導電性接着剤(9)の厚さが変化すると、支持面(1a)から発光層(23)までの高さも変化するが、少なくともシリコン基板(21)の側面(21b)を被覆体(4)により被覆することにより、シリコン基板(21)による光の吸収量を低減して、発光ダイオードチップ(2)の上方に向かう光量を増大することができる。
【００２７】
図６に示すように、側壁(3)の高さを発光ダイオードチップ(2)の厚みよりも小さくしてもよい。側壁(3)の上面(3b)を発光層(23)よりも低くすれば、被覆体(4)を発光層(23)と支持体(1)の支持面(1a)との間に形成することができ、被覆体(4)が発光層(23)に接することを良好に防止できる。図６の発光ダイオード(30)では、側壁(3)の上面(3b)が前述した段差面(13)の役割を有する。側壁(3)の上面(3b)からの光反射を観察しながら、側壁(3)と発光ダイオードチップ(2)の側面(2b)との間に被覆体(4)を充填することにより、被覆体(4)が側壁(3)の上面(3b)上に溢れたときに生じる光反射量の変化によって、被覆体(4)の充填を停止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、光吸収性の基板により構成される半導体発光素子を備える種々の半導体発光装置に良好に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による半導体発光装置の実施の形態を示す拡大断面図
【図２】本発明による半導体発光装置の実施の形態を示す断面図
【図３】被覆体の充填工程を示す平面図
【図４】段差面が被覆体により被覆された図３の平面図
【図５】本発明による半導体発光装置の他の実施の形態を示す断面図
【図６】図１の別の実施の形態を示す拡大断面図
【符号の説明】
【００３０】
(1)・・支持体、  (1a)・・支持面、  (2)・・発光ダイオードチップ（半導体発光素子）、  (2a)・・上面、  (2b)・・側面、  (3)・・側壁、  (3a)・・内面、  (4)・・被覆体、  (4a)・・上面、  (5)・・保護体、  (13)・・段差面、  (21)・・基板、  (21a)・・上面、  (22)・・化合物半導体層、  (23)・・発光層、  (24)・・反射膜層、  (25)・・蛍光体、
【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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