(57)【要約】【課題】半導体発光装置を照明のアプリケーションとして利用するためには色合いを調整する必要があり、そのためには蛍光体層を研削して厚み調整をしなければならない。一方で蛍光体層の側面から射出する不要光の量を減らすためには反射面を有する反射部を用いる必要があり、研削の際に半導体発光装置自体に損傷を与えるおそれがある。【解決手段】反射部表面より天面が高くなるように設計し、色合いを確認しながら天面を研削し、所望の色合いの半導体発光装置を製造する。【選択図】図３
2008166487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられた引出電極と、
反射面を備え前記基板上に配された反射部と、
前記引出電極と接続線で結合され、前記反射部表面より発光面が低い位置に固定された半導体発光素子と、
天面が研削された平面で、かつ前記反射部表面より高く、前記基板と前記反射部で囲まれた部分に充填された蛍光体層とからなる半導体発光装置。
【請求項２】
ベース基板に引出電極を設ける工程と、
前記引出電極に接続線を設ける工程と、
前記接続線に発光素子を接続する工程と、
前記ベース基板上に反射部を接着する工程と、
前記反射部で囲まれた基板上に蛍光体を充填する工程と、
前記蛍光体を研削する工程と、
前記反射部を前記ベース基板ごと切断する工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
【請求項３】
ベース基板に引出電極を設ける工程と、
前記ベース基板上に発光素子を固定する工程と、
前記半導体発光素子と引出電極を接続線で接続する工程と、
前記ベース基板上に反射部を接着する工程と、
前記反射部で囲まれた基板上に蛍光体を充填する工程と、
前記蛍光体を研削する工程と、
前記反射部を前記ベース基板ごと切断する工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射部で囲んだ半導体発光素子の周囲に蛍光体層を配した半導体発光装置において、色合いを調製するために、蛍光体層を研削して調節した半導体発光装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光装置は、特定の色で発光する半導体発光素子だけで利用されるだけでなく、半導体発光素子の周囲に蛍光体層を配して、発光色を変え利用される場合も多い。青色発光が可能な半導体発光素子が開発された後は、青色の光で黄色に発光する蛍光体を用いた白色の発光も可能になった。このような場合、蛍光体を含有させた蛍光体層の濃度や厚みによって、青色と黄色の混合率が変わり、同じ白色と言っても微妙に色合いが変わる。
【０００３】
従来は半導体発光装置には、発光のみを目的として求められていたが、長寿命で低消費電力という特徴を有する半導体発光装置を照明用として使いたいという要求は多い。半導体発光装置を照明用として使うためには、照らされた対象物をできるだけ自然な色に見せるために、白色光と言っても特定の範囲の色合いの光に調製する必要がある。
【０００４】
発光色の調整には、半導体発光素子に蛍光体層を形成した後、研削する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、半導体発光素子の発光色をできるだけ効率的に利用しようという発明も多くされており、内面を鏡面仕上げした反射面を有する反射部で構成されたパッケージ（又はカップともいう）に半導体発光素子を固定する構成が知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、半導体発光装置から横方向に射出された光は、反射面などで反射させたとしてもうまく利用するのは難しい。そこで、半導体発光装置の側面から射出される光はできるだけ小さくする方が効率的な利用という面からは望ましい。
【０００７】
反射部で構成されたパッケージに固定され、蛍光体層を有した半導体発光装置において、発光色の色合いを調整するために蛍光体層を研削しようとすると、反射部の上面より高い位置に蛍光体層の表面がなければならない。このような構成は例えば特許文献３に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１５８１７号公報
【特許文献２】特開２００５−９３８９６号公報
【特許文献３】特開２０００−２２３７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体発光装置が放出する光を効率よく利用しようとすると、反射部のように半導体発光素子から横方向に放出される光を制限する手段が必要である。一方で、発色の色合いを調整しようとすると、蛍光体層の天面を研削できるようにする必要がある。しかし、そのためには天面が反射部より上側にないと、反射部も一緒に研削しなければならず、半導体発光装置自体に損傷が発生するおそれがある。すると、天面と反射部表面との間の蛍光体層から光が漏れ、これが有効に活用できない光となる。
【０００９】
本発明は、上記のように光の利用効率を高めるために反射部を用い、なおかつ色合いの調整を可能にするという要求に鑑み想到された。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、反射部で囲まれたパッケージ内に半導体発光素子を固定し、その発光面はもとより、引出電極との接続線も反射部表面より上に出ないようにする。そして反射部表面より上まで充填した蛍光体層を研削し、色合いの調整を行った半導体発光装置とその製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子の発光面はもとより、引出電極との接続線も反射部表面より上にないので、反射部表面までは蛍光体層を研削することができる。すなわち、反射部を有する半導体発光素子で色合いの調整を行った半導体発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明の半導体発光装置１を示す。半導体発光装置１は、サブマウント２１上に、半導体発光素子１０が固定され、半導体発光素子の周囲には反射部４０が配置され、反射部とサブマウントで囲まれた部分に蛍光体層５０が充填された構造である。
【００１３】
サブマウント２１には、引出電極２２，２３が形成されている。引出電極は半導体発光素子１０へ電流を印加するための電極である。半導体発光素子のｎ型層の側に接続するｎ側引出電極２２とｐ型層の側に接続されるｐ側引出電極２３がある。さらに図１では、引出電極は、スルーホール２６，２７を介して端子電極２８，２９へ接続されている。これによって端子電極２８，２９から半導体発光素子へ電流を流す事が出来る。引出電極にはバンプ２４，２５が形成されている。引出電極同様、バンプもｎ型層に接続されるｎ側バンプ２４とｐ型層に接続されるｐ側バンプ２５がある。図１ではｐ側バンプは複数あるが、まとめて符号２５で表す。もちろんｎ側バンプが複数個あってもよい。このバンプによって引出電極と半導体発光素子は直接接続されている。従って、このバンプは接続線と言える。サブマウント２１、引出電極２２，２３、バンプ２４，２５、スルーホール２６，２７、端子電極２８，２９を含めて支持体２０と呼ぶ。なお、実施形態によっては、端子電極２８，２９やバンプ２４，２５、スルーホール２６，２７が支持体２０から省略される場合もある。また、支持体２０と反射部４０をあわせてパッケージという。
【００１４】
サブマウント２１は、シリコンツェナーダイオード、シリコンダイオード、シリコン、窒化アルミニウム、アルミナ、その他のセラミック等を用いることができる。
【００１５】
スルーホールはサブマウントに穿たれた貫通孔で、内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を含む。端子電極２９は、スルーホールと電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製される。引出電極は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いる。
【００１６】
バンプは半導体発光素子１０をサブマウント２１上に固定し、また引出電極２２、２３との間を電気的に結合させる役割を有する。
【００１７】
バンプの材料としては、金、金−錫、半田、インジウム合金、導電性ポリマーなどを用いることができるが、特に金や金を主成分とする材料が好ましい。これらの材料を用いて、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等を用いて形成することができる。
【００１８】
例えば、ワイヤーバンプ法で金ワイヤーを作製し、その一端をボンダーにてサブマウント上の引出電極に接着した後、ワイヤーを切断することで金バンプを形成する。また、金などの高導電性材料の微粒ナノ粒子を揮発性溶剤に分散した液をインクジェット印刷と同様な手法で印刷し、溶剤を揮発除去してナノ粒子の集合体としてのバンプを形成する液滴射出法を用いることもできる。
【００１９】
半導体発光素子１０は、基板１１、ｎ型層１２、活性層１３、ｐ型層１４、ｎ側電極１６、ｐ側電極１７からなる。
【００２０】
基板１１は、発光する部分を保持する役目を負う。材質としては、絶縁性のサファイアを用いることができる。しかし、発光効率や発光する部分が窒化ガリウム（ＧａＮ）を母材とすることから、発光層、より具体的にはｎ型層１２と基板１１との界面での光の反射を少なくするために発光層と同等の屈折率を有するＧａＮやＳｉＣ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮを用いるのが好適である。
【００２１】
発光層となるｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４は基板１１上に順次積層される。材質は特に制限はないが、窒化ガリウム系化合物であれば好ましい。具体的には、それぞれ、ＧａＮのｎ型層１２、ＩｎＧａＮの活性層１３、ＧａＮのｐ型層１４である。なお、ｎ型層１２やｐ型層１４としては、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮを用いてもよいし、ｎ型層１２と、基板１１との間に、ＧａＮやＩｎＧａＮで構成したバッファ層を用いることも可能である。また、例えば、活性層１３は、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層した多層構造（量子井戸構造）としてもよい。
【００２２】
このように基板１１上に積層したｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４の一部から、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させる。この露出させたｎ型層１２上に形成されたのが、ｎ側電極１６である。また、ｐ型層１４上に同じくｐ側電極１７が形成される。つまり、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させることで、発光層とｐ側電極およびｎ側電極は基板に対して同じ側の面に形成することができる。
【００２３】
ｐ側電極１７は発光層で発した光を基板１１の側に反射するために反射率の高いＡｇやＡｌ、Ｒｈ等の第１の電極を用いる。すなわち、図１の場合は基板１１が発光面となる。ｐ型層１４とｐ側電極１７のオーミック接触抵抗を小さくするためにｐ型層１４と第１の電極の間にＰｔやＮｉ、Ｃｏ、ＩＴＯ等の第２の電極を用いることが望ましい。また、ｎ側電極１６はＡｌやＴｉ等を用いることができる。ｐ側電極１７およびｎ側電極１６の表面にはバンプとの接着強度を高めるためにＡｕやＡｌを用いることが望ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって、形成することができる。
【００２４】
半導体発光素子１０のサイズは、特に限定はないが、光量が大きく面発光に近い光源とするには、全面積が広い方がよく、好ましくは一辺が６００μｍ以上であることが望ましい。
【００２５】
反射部は、半導体発光素子の周囲に配置されて、横方向に放射される発光を天面５５側に反射させるためのものである。材質は、樹脂、金属、セラミックそれらの複合体等が用いられる。特に半導体発光素子の側に向いている面４２は、光を天面側に反射させるために傾斜若しくは凹面を有し、鏡面処理が施されているのが望ましい。具体的には反射部をアルミニウムで形成し、鏡面に研削されたものや、樹脂で形成した反射部にアルミニウムや銀を蒸着若しくはメッキするどの処理を用いることができる。
【００２６】
反射部は半導体発光素子から天面方向に対して斜めに放射される光を天面方向に反射するために設けられるので、反射部表面４５は、半導体発光素子の発光面より高く設定される。ここで高いとは、サブマウントからの距離が長いという意味である。
【００２７】
蛍光体層５０は、無機若しくは有機の蛍光体材料の粒子を樹脂もしくはガラスといった透明媒体中に分散したものである。
【００２８】
例えば、半導体発光素子１０が青色を発光し、半導体発光装置１自体の発光色を白色にする場合は、半導体発光素子１０からの青色の光を受けて、黄色に波長を変換し放出する蛍光体である。このような蛍光体材料としては、希土類ドープ窒化物系、または、希土類ドープ酸化物系の蛍光体が好ましい。より具体的には、希土類ドープアルカリ土類金属硫化物希土類ドープガーネットの(Ｙ・Ｓｍ)3(Ａｌ・Ｇａ)5Ｏ12：Ｃｅや（Ｙ0.39Ｇｄ0.57Ｃｅ0.03Ｓｍ0.01）3Ａｌ5Ｏ12、希土類ドープアルカリ土類金属オルソ珪酸塩、希土類ドープチオガレート、希土類ドープアルミン酸塩等を好適に用いることができる。また、珪酸塩蛍光体（Ｓｒ1-a1-b2-xＢａa1Ｃａb2Ｅｕx）２ＳｉＯ4やアルファサイアロン（α−ｓｉａｌｏｎ:Ｅｕ）Ｍｘ(Ｓｉ，Ａｌ)12(Ｏ，Ｎ)16を黄色発光の蛍光体材料として用いても良い。
【００２９】
なお、本明細書を通じてＡｌはアルミニウム、Ｎは窒素、Ｏは酸素、Ａｇは銀、Ｒｈはロジウム、Ｐｔは白金、Ｎｉはニッケル、Ｃｏはコバルト、Ｔｉはチタン、Ａｕは金、Ｙはイットリウム、Ｓｍはサマリウム、Ｃｅはセリウム、Ｓｒはストロンチウム、Ｂａはバリウム、Ｃａはカルシウム、Ｅｕはユウロピウム、Ｍｇはマグネシウムを表す。
【００３０】
媒体としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂及びフッ素樹脂を主成分とする樹脂を用いることができる。特に非シリコーン樹脂としては、シロキサン系の樹脂やポリオレフィン、シリコーン・エポキシハイブリッド樹脂などが好適である。
【００３１】
なお、樹脂の代わりにゾルゲル法で作製されるガラス材料を用いることもできる。具体的には、一般式Ｓｉ（Ｘ）n（Ｒ）4-n（ｎ＝１〜３）で表される化合物である。ここで、Ｒはアルキル基であり、Ｘはハロゲン（Ｃｌ、Ｆ、Ｂｒ、Ｉ）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、アルコキシ基（−ＯＲ）から選ばれる。このガラス材の中にも蛍光体や一般式がＭ（ＯＲ）nで表されるアルコキシドを添加することもできる。アルコキシドを添加することによって凹凸構造の屈折率を変えることができる。
【００３２】
また、これらのガラス材料は硬化反応温度が摂氏２００度程度のものもあり、バンプや電極各部に用いる材料の耐熱性を考慮しても好適な材料と言える。蛍光体材料と媒体を混ぜ合わせた状態を蛍光体塗料と呼ぶ。
【００３３】
蛍光体層５０の天面５５は、半導体発光装置１の発光射出面となる。半導体発光素子１０の基板１１と天面５５との間ｈ１の蛍光体によって半導体発光装置１の色合いは決まる。従って、後述するように天面の部分を研削する事で半導体発光装置１の最終的な色合いを決定する。すなわち、本発明の半導体発光装置１の天面は研削によって仕上げられている。
【００３４】
一方、天面の研削によって色合いを決めるため、研削の際に反射部まで研削処理されてしまうと、半導体発光装置１自体が損傷する場合もある。そこで、蛍光体層５０の天面５５と反射部４０の表面４５には一定のマージンｈ２が設けられる。
【００３５】
マージンｈ２は、高すぎるとここからの放射光が不要な光となるので、できるだけ低いことが望ましい。
【００３６】
半導体発光装置１の色合いは天面と基板の間の距離ｈ１と蛍光体層５０の蛍光体材料の濃度、半導体発光素子１０の発光色によって決まると考えられる。蛍光体層の蛍光体材料濃度は、特に制限は無いが、濃度が高いとｈ１を低くできる反面、わずかな研削で色合いが大きく変化する。濃度が低すぎると研削による色合いの調整は容易になるが、所望の色合いにするために蛍光体層を厚くしなければならず、ｈ２が高くなるおそれがある。すでに述べたようにｈ２が高くなると不要な放射光が増える。蛍光体材料の濃度は媒体に対して１０〜６０質量％程度が好ましい。
【００３７】
ｈ１やｈ２に関しては特に規定することはできず、必要な半導体発光装置の仕様によって随時設計されるものである。しかし、半導体発光装置の発光角度を小さくしよとすると、斜め方向へ放射される光は不要光となるので、開口経Ｌに対してできるだけ小さい方がよい。従ってｈ２は反射部で囲われた開口経Ｌの１／１０以下であることが望ましい。
【００３８】
図２は、図１の半導体発光装置を天面側から見た図である。
【００３９】
図３は、本発明の半導体発光装置の製造方法を示す図である。サブマウントにスルーホールを設け、裏側に端子電極、表側に引出電極を形成した後、引出電極にバンプを形成する。その後、バンプに半導体発光素子を溶着する。溶着は、超音波振動によって行う。具体的には、支持体２０若しくは半導体発光素子１０側を固定しておき、他方を超音波溶着装置のチャックで固定し、超音波振動を与えることによって行う。この時、支持体２０若しくは半導体発光素子１０側から加熱することにより、加熱しない場合に比べて低い超音波出力でバンプと半導体発光素子のｎ側電極１６およびｐ側電極１７の溶着を行うことができる。加熱温度は１００〜４００℃が好ましい。半導体発光素子が溶着された状態が図３（Ａ）である。
【００４０】
量産性を高めるために、サブマウント上に複数個の半導体発光装置を一度に作製する。
【００４１】
次にパッケージ材料を接着する（図３（Ｂ））。反射部材料は後の工程で個々の半導体発光装置に切り分けられるので、両側に傾斜面を有した部材となっている。接着剤は特に限定はないが、半導体発光装置自体がプリント基板などと接着される際にはんだフロー処理などを受けることが考えられるので、ガラス転位温度が２５０℃以上の樹脂接着剤やゾルゲル法で形成されたガラス接着などが好ましい。
【００４２】
反射部材料を接着した後、蛍光体層を形成する（図３（Ｃ））。これは上記で説明した蛍光体塗料をディップ若しくは印刷法などで形成する。この時は天面と基板の距離ｈ１は十分厚く形成しておく。
【００４３】
蛍光体層を硬化した後、蛍光体層を研削していく。研削はラップマスターや表面研削機などを用いる。また設計厚みｈ１近くまで一気に研削し、その後色合いを見ながら微小研削を行うなど、複数段階の研削工程を用いてもよい。
【００４４】
研削の工程は、具体的には研削で天面を研削し天面と基板間距離ｈ１を短くしては、実際に発光させて色合いを確認し、所定の色合いになっていなければさらに研削を行うという工程を繰り返す（図３（Ｄ））。
【００４５】
所定の色合いになるように天面と基板間距離ｈ１を調整したら、反射部の間を切断し、個々のチップに切り分ける（図３（Ｅ））。これで本発明の半導体発光装置を得る事ができる。
【００４６】
本実施の形態では、バンプを用いて引出電極と半導体発光装置が接続される場合を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の形態で実施されても良い。
【００４７】
図４は、引出電極の形状が異なる場合を示す。サブマウント２１にはスルーホールが施されていない。一方引出電極２２，２３は、反射部の下を通り、サブマウントの側面を回ってサブマウント下側まで引き回されている。すなわち、引出電極と端子電極が共通となっている。
【００４８】
図５は、さらに、半導体発光装置が上向に固定されている場合を示す。この例の場合は射出面がｐ型層側となり、ｎ側電極とｐ側電極は上向きに形成される。従って、引出電極２２，２３との間は接続線１８，１９によって接続される。この接続線はワイヤーボンディングによって形成する。ｐ側電極は、ｐ型層の表面のほぼ全面を被う透光性電極と、この一部に設けられたパッド電極からなる。製造方法としては、図３で示した方法と同じで、反射部を接着する前にワイヤーボンディングを済ませてしまうことが必要である。本発明は、色合い調整のために天面５５を研削する。従って、接続線の頂点３１が反射部の表面４５より低くなければならない。すなわち、反射部を接着してからでは、半導体発光素子の電極と、引出電極をワイヤーボンディングするのは困難になるからである。なお、「低い」とは、サブマウントからの距離が短いという意味である。
【００４９】
図６は、ｎ側電極を基板１１の裏側に形成した場合の例を示す。この場合も接続線１８の製造方法については、図５の場合とおなじである。また、引出電極と端子電極が共通に形成されている点も同じである。
【００５０】
図７は、引出電極がサブマウントの表面だけに形成されている場合の例である。引出電極と電力供給線３３の接続は、通常のはんだ付けでよい。図７の場合の製造方法としては、図３（Ｂ）において、隣の半導体発光装置と共通の反射部を接着するのではなく、個々の反射部を接着する。従って図３（Ｅ）の工程においても反射部を切断はせず、サブマウントだけを切断する。
【００５１】
図８は図２および３で説明した本発明の半導体発光装置の他の実施の形態を例示するものである。図２と比較すると図８には反射部の斜線部分４３がない。これは、蛍光体層を塗布する際に、図２は、個々の半導体発光装置毎に蛍光体塗料を塗って作製されたのに対して、図８の場合は縦方向（図８の７０方向）に並んだ半導体発光装置についてまとめて蛍光体塗料を塗布し、個々に切り分ける際にサブマウント、反射部に加えて蛍光体層も一緒に切断し作製した。
【００５２】
図９は、反射部の傾斜面を円形４４にし、蛍光体層も円形に形成した場合を示す。このように本発明の半導体発光装置では、蛍光体層の形状は四角に限定されるものではなく、丸、三角といった形状でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、色合いを調整する半導体発光装置に利用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の半導体発光装置の構成を表す図
【図２】本発明の半導体発光装置を天面側から見た図
【図３】本発明の半導体発光装置の製造方法を示す図
【図４】本発明の半導体発光装置の他の構成を示す図
【図５】本発明の半導体発光装置の他の構成を示す図
【図６】本発明の半導体発光装置の他の構成を示す図
【図７】本発明の半導体発光装置の他の構成を示す図
【図８】本発明の半導体発光装置の他の構成を天面側から見た図
【図９】本発明の半導体発光装置の他の構成を天面側から見た図
【符号の説明】
【００５５】
１  半導体発光装置
１０  半導体発光素子
１１  基板
１２  ｎ型層
１３  活性層
１４  ｐ型層
１６  ｎ側電極
１７  ｐ側電極
２０  支持体
２１  サブマウント
２２  ｎ側引出電極
２３  ｐ側引出電極
２４  ｎ極バンプ
２５  ｐ極バンプ
２６、２７  スルーホール
３１  接続線の頂点
４０  反射部
４５  反射部表面
５０  蛍光体層
５５  天面
【図１】
2008166487.tif 000003
【図２】
2008166487.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008166487.tif 000006
【図５】
2008166487.tif 000007
【図６】
2008166487.tif 000008
【図７】
2008166487.tif 000009
【図８】
2008166487.tif 000010
【図９】
2008166487.tif 000011