(57)【要約】透光性基板１２の第１の面１２ａに発光層１６を含む半導体層９を積層するとともに第１の面１２ａに対向する第２の面１２ｂを発光観測面とする発光素子１１ａを、導電性接着材料２０によりリードフレーム３０に固定した発光ダイオード１０Ａにおいて、半導体層９の側面が第１の面１２ａに対して傾斜した傾斜面１９から成り、傾斜面１０の法線ａと発光層１６が成長する結晶面との成す角度θを、発光層１６が発する光が透光性基板１２の方向に全反射する角度にした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板の第１の面に発光層を含む半導体層を積層するとともに第１の面に対向する第２の面を発光観測面とする発光素子を、導電性接着材料によりリードフレームに固定した発光ダイオードにおいて、
前記半導体層の側面が第１の面に対して傾斜した傾斜面から成り、前記傾斜面の法線と前記発光層が成長する結晶面との成す角度を、前記発光層が発する光が前記透光性基板の方向に全反射する角度にしたことを特徴とする。
【請求項２】
前記半導体層は前記発光層を挟んで隣接する第１、第２の伝導型を有する化合物半導体を前記透光性基板側から順に積層した第１、第２伝導型半導体層を有し、前記透光性基板を貫通して第１伝導型半導体層に達して第２伝導型半導体層に達しない深さの縦穴と、前記縦穴に沿って形成して第１伝導型半導体層に導通する導電性材料とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記半導体層は前記発光層を挟んで隣接する第１、第２の伝導型を有する化合物半導体を前記透光性基板側から順に積層した第１、第２伝導型半導体層を有し、第２伝導型半導体層に形成した開口部に充填される絶縁体と、前記透光性基板及び第１伝導型半導体層を貫通して前記開口部上に設けられる縦穴と、前記縦穴の内壁面に沿って形成して第１伝導型半導体層に導通する導電性材料とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記透光性基板の第２の面に設けたパッド電極により前記縦穴を塞いだことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記縦穴を深さ方向に向かって先細りにしたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記導電性材料が透光性を有することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記角度を４０°〜５０°にしたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記傾斜面に絶縁膜を被覆したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記半導体層が窒化ガリウム系化合物から成ることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、透光性基板に積層された半導体層から成る発光素子を有する発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】  青色発光ダイオード、青色レーザダイオード等の各種発光装置が抱える課題の一つは、如何にして発光素子から光の取り出し効率を向上させるかにある。特に、白色発光ダイオードの発光効率は、年々、改善されほぼ２年で２倍のスピードで向上している。それでも一般家庭で使用されている蛍光灯の発光効率６０ｌｍ／Ｗに到達するまでには、数年の歳月が掛かると言われている。【０００３】  一方、現在開発されている白色発光ダイオードでは、約８０％の光が無駄になっており、発光素子の外へ放出されない光は素子内で多重反射が繰り返され、熱エネルギーに変換されて放熱されている。【０００４】  このような事情から、発光効率を上げる研究・開発が活発に進められている。発光効率を上げる第１の方法として発光素子の材料に着目したものがある。これは、青色発光素子と青色光を黄色光に変える蛍光材料で構成した白色発光ダイオードにおいて、発光素子の結晶中の欠陥を減少させることにより結晶品質を高める。これにより、発光素子内の発光層での電気エネルギーが熱エネルギーに変換され難くなる。その結果、光エネルギーを増加させることができる。【０００５】  第２の方法として、発光素子の形状を変更したものがある。発光層で発生した光は発光素子内で多重反射を繰り返して外部へ放出される。この多重反射を減少させて発光効率を向上する。具体的には、サファイア基板を加工してサファイア基板界面での反射を低減する方法がある。また、サファイア基板を剥離して反射層を形成し、この反射層で裏面に向う光の方向を変更する方法がある。しかし、このサファイア基板を加工する方法は、未だ研究段階にあって、実用化されるまでには数年掛かると予想されている。【０００６】  一方、このような面倒なサファイア基板を加工するのでなく、単純な形状変更でも発光効率を改善する方法が特許文献１に開示されている。この発光ダイオードは、発光素子の側面を透光性基板の発光観測面側から発光層（窒化ガリウム系化合物）に向かって鋭角に切断する。窒化ガリウム系化合物より発する青色発光、特に発光素子側面近傍の青色発光を透光性基板で反射させて発光観測面に有効に取り出すようにしている。この発光ダイオードは、この種の発光ダイオードがこれまで必要としていたカップ状のリードフレームを不要とする。これにより、生産性を上げることができるとともに、リードフレームや支持体にセラミック基板を使用することができる。【０００７】  また、特許文献１にはこの発光ダイオードがカップ状のリードフレームを有する発光ダイオードに適用することが生産技術上不可能であることが記載されている。即ち、リードフレームをカップ形状にすると、透光性基板を上にして電極を下にするような構造の化合物半導体発光素子（例えば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子）であると、アッセンブリができない。【０００８】  一方、図６は、カップ状リードフレームを使用した従来の発光ダイオードの断面図を示している。発光ダイオード１０はカップ状のリードフレーム３０上に発光素子（以下、「ＬＥＤチップ」という）１１を設けた構成になっている。ＬＥＤチップ１１は絶縁性のサファイアから成る透光性基板１２を有し、第１の面１２ａにバ���ファ層１３を介して第１伝導型半導体層１４と第２伝導型半導体層１５が積層される。第１伝導型半導体層１４と第２伝導型半導体層１５との間には発光層１６が形成されている。第１の面１２ａに対向する第２の面１２ｂは発光観測面となっている。【０００９】  また、ＬＥＤチップ１１は導電性接着剤２０によってリードフレーム３０上に電極１７が電気的に接続されている。図示していないがｎ、ｐ電極は互いに適切に絶縁して接続されている。ＬＥＤチップ１１は側面へ導電性接着剤２０が少し這い上がった状態でリードフレーム３０に結合されている。導電性接着剤２０には通常粘着性を有する導電性材料が使用される。
【特許文献１】特許第２９６４８２２号（図１、第２頁−第３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  図７はＬＥＤチップ１１内の光束の経路を模式的に表わした断面図である。発光ダイオード１０は、発光層１６からＬＥＤチップ１１の上方（矢印１８ｃ、１８ｄ）および側面（矢印１８ａ、１８ｂ）にそれぞれ光が放出される。これらの発光束１８ａ〜１８ｄのうち、側面に放出される発光束１８ａ、１８ｂは導電性接着剤２０ａ、２０ｂによって遮蔽される。このため、発光束１８ａ、１８ｂが有効に利用されず、その分チップ全体の発光強度が低下する問題があった。【００１１】  本発明は、この従来技術の課題を解決するためになされたもので、発光素子の側面から放出される光を有効利用して発光効率を向上できる発光ダイオード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】
【００１２】  上記目的を達成するために本発明は、透光性基板の第１の面に発光層を含む半導体層を積層し、第１の面に対向する第２の面を発光観測面とする発光素子を、接着材料によりリードフレームに固定した発光ダイオードにおいて、
前記発光層の側面が第１の面に対して傾斜した傾斜面から成り、前記傾斜面の法線と前記発光層が成長する結晶面との成す角度を、前記発光層が発する光が前記透光性基板の方向に全反射する角度にしたことを特徴とする。【００１３】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記半導体層は第１、第２の伝導型を有する化合物半導体を前記透光性基板側から順に積層した第１、第２伝導型半導体層から成り、前記透光性基板を貫通して第１伝導型半導体層に達して第２伝導型半導体層に達しない深さの縦穴と、前記縦穴に沿って形成して第１伝導型半導体層に導通する導電性材料とを設けたことを特徴とする。【００１４】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記半導体層は第１、第２の伝導型を有する化合物半導体を前記透光性基板側から順に積層した第１、第２伝導型半導体層から成り、第２伝導型半導体層に形成した開口部に充填される絶縁層と、前記透光性基板及び第１伝導型半導体層を貫通して前記開口部上に設けられる縦穴と、前記縦穴の内壁面に沿って形成して第１伝導型半導体層に導通する導電性材料とを設けたことを特徴とする。【００１５】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記透光性基板の第２の面に設けたパッド電極により前記縦穴を塞いだことを特徴とする。【００１６】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記縦穴を深さ方向に向かって先細りにしたことを特徴とする。【００１７】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記導電性材料が透光性を有することを特徴とする。【００１８】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記角度を４０°〜５０°にしたことを特徴とする。【００１９】  また、本発明は、上記構成の発光ダイオードにおいて、前記傾斜面に絶縁膜を被覆したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】  本発明によると、発光層が露出した傾斜面から成る半導体層の側面の法線と発光層が成長する結晶面との成す角度を、発光層が発する光が透光性基板の方向に全反射する角度にしたので、発光層から発光素子の側面へ向う光は進行方向が変更されて発光観測面から放出される。従って、発光層から発する光が接着材料によって遮断されずに全て発光観測面から放出されるので、発光素子の発光出力が向上する。【００２１】  また本発明によると、第１伝導型半導体層に達して第２伝導型半導体層に達しない深さの縦穴と、縦穴に沿って形成して第１伝導型半導体層に導通する導電性材料を設けたので、導電性材料に導通して半導体層に電圧を印加する電極を透光性基板の発光観測面に設けることができる。これにより、透光性基板の第１の面側と、第２の面側に分けて電極を配置することができ、電極による遮光を抑制して光取り出し効率を高めることができる。また、電極とリード線を接続するワイヤボンディングが１箇所で済み、組立作業性を非常に高めることができる。【００２２】  また本発明によると、薄い第１伝導型半導体層を貫通して縦穴を設けるので、発光ダイオードの製造が容易になる。【００２３】  また本発明によると、縦穴の断面積よりも面積の広いパッド電極を設けたのでリード線のワイヤボンディングを容易に行うことができる。【００２４】  また本発明によると、縦穴を深さ方向に向かって先細りにしたので、所定の厚さの導電性材料を蒸着やスパッタ等により縦穴の内面に容易に形成することができる。【００２５】  また本発明によると、導電性材料が透光性を有するので、縦穴内での光の吸収が減少し、発光層から発した光を損失無く有効に外部へ取り出すことができる。【００２６】  また本発明によると、半導体層側面の傾斜の角度を４０°〜５０°にしたので、該側面で全反射する発光ダイオードを容易に実現することができる。【００２７】  また本発明によると、半導体層側面の傾斜面に絶縁層が被覆されるので、発光素子をリードフレーム上に導電性接着剤により固定する際に導電性接着剤による半導体層の短絡を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態の発光ダイオードを示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態の発光ダイオードの素子内の光束の経路を模擬的に示す断面図
【図３】本発明の第２実施形態の発光ダイオードを示す断面図
【図４】本発明の第３実施形態の発光ダイオードを示す断面図
【図５】本発明の第４実施形態の発光ダイオードを示す断面図
【図６】従来の発光ダイオードを示す断面図
【図７】従来の発光ダイオードの素子内の光束の経路を模擬的に示す断面図
【符号の説明】
【００２９】    ９    半導体層
１０、１０Ａ〜１０Ｄ  発光ダイオード
１１、１１ａ〜１１ｄ  発光素子（ＬＥＤチップ）
１２    透光性基板
１３    バッファ層
１４    第１伝導型半導体層
１５    第２伝導型半導体層
１６    発光層
１７    電極
１８ａ〜１８ｄ  発光束
１９    傾斜面
１９ａ  絶縁膜
２０    導電性接着剤
２１    導電性材料
２２    パッド電極
２４    縦穴
２６    絶縁体
２７    開口部
３０    リードフレーム
３１    リード電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】  以下に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。説明の便宜上、前述の図６、図７に示す従来例と同様の部分には同一の符号を付している。尚、本発明は図面に示したものに限定されるものではない。図１は、本発明の発光ダイオードの第１実施形態を示す断面図である。【００３１】  発光ダイオード１０Ａはカップ状のリードフレーム３０上にＬＥＤチップ１１ａを設けた構成になっている。ＬＥＤチップ１１ａは絶縁性のサファイアから成る透光性基板１２を有し、サファイア基板１２の第１の面１２ａにはバッファ層１３を介して半導体層９が形成される。半導体層９はｐ型半導体またはｎ型半導体の一方から成る第１伝導型半導体層１４と、他方から成る第２伝導型半導体層１５が積層されている。第１伝導型半導体層１４と第２伝導型半導体層１５との間には発光層１６が形成され、第２伝導型半導体層１５上には電極１７が形成されている。第１の面１２ａに対向する第２の面１２ｂは発光観測面となっている。【００３２】  また、ＬＥＤチップ１１ａは導電性接着剤２０によってリードフレーム３０に固定され、電極１７がリードフレーム３０と電気的に接続されている。図示していないが第１、第２伝導型半導体層１４、１５に導通するｎ、ｐ電極は互いに適切に絶縁して接続されている。ＬＥＤチップ１１ａは側面へ導電性接着剤２０が少し這い上がった状態でリードフレーム３０に結合されている。導電性接着剤２０には通常粘着性を有する導電性材料が使用される。【００３３】  半導体層９の側面は透光性基板１２の第１の面１２ａに対して傾斜した傾斜面１９になっている。傾斜面１９は発光層１６が露出した両端面において半導体層９の上部がＬＥＤチップ１１ａの外部方向になるように傾斜される。これにより、半導体層９は透光性基板１２から離れるほど狭くなっている。【００３４】  傾斜面１９はこの種の公知となっている半導体層９の形成工程において、ドライエッチング条件を選択して形成される。具体的にはドライエッチング時のマスク端面に予め適当な傾斜を設ける。マスク端面の傾斜がエッチングされた結晶の端面に引き継がれる手法を用いて傾斜面１９を形成することができる。【００３５】  或いは、ダイシングブレードの刃先をテーパ状に成形して溝加工することにより傾斜面１９を形成してもよい。この時、発光層１６がダイシング加工によるダメージを与えられるが、ドライエッチング等によりダメージにより生じた結晶欠陥を除去することができる。【００３６】  図２はＬＥＤチップ１１ａ内の光束の経路を模擬的に示した断面図を示している。傾斜面１９の法線ａと発光層１６が成長する結晶面とが成す角度θは、発光層１６から傾斜面１９に入射する光１８ａ、１８ｂの臨界角よりも大きく形成される。これにより、発光層１６から発する光１８ａ、１８ｂが全て透光性基板１２側に反射され、ＬＥＤチップ１１ａの内部に全反射される。この角度θは、４０°〜５０°の範囲に選定すると確実に全反射させることができるとともに傾斜面１９を容易に形成することができる。【００３７】  発光層１６が露出した半導体層９の側面を傾斜面１９を形成することにより、発光層１６からＬＥＤチップの側面へ向う光１８ｅ、１８ｆは進行方向が変更されて発光観測面から放出される。このため、従来のように光束が接着材料によって遮断されるようなことがない。従って、発光層１６で発された光が全て傾斜面１９で反射してＬＥＤチップ１１ａの発光出力が向上する。【００３８】  上記構成は、特に窒化ガリウム系化合物から成る発光層１６を有する青色発光ダイオードに適用するとより望ましい。即ち、発光効率が低い青色発光を傾斜面１９で全反射して発光観測面から取り出すことにより、発光出力を著しく向上させることができる。【００３９】  次に、図３は第２実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図２に示す第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付している。本実施形態の発光ダイオード１０Ｂは、傾斜面１９に絶縁膜１９ａが被覆されている。その他の部分は第１実施形態の発光ダイオード１０Ａと同様である。【００４０】  発光ダイオード１０Ｂは傾斜面１９を有するＬＥＤチップ１１ｂが導電性接着剤２０によってカップ状のリードフレーム３０上に固定される。この時、導電性接着剤２０がＬＥＤチップ１１ｂの側面へ少し這い上がっても、絶縁膜１９ａによって導電性接着剤２０と第１伝導型半導体層１４との接触による短絡を防止できる。【００４１】  次に、図４は第３実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１、図２に示す第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付している。本実施形態の発光ダイオード１０Ｃは、ＬＥＤチップ１１ｃが図中、上下方向に延びる縦穴２４を備えている。その他の部分は第１実施形態の発光ダイオード１０Ａと同様である。【００４２】  縦穴２４は透光性基板１２の周部の例えば四隅の内の一にレーザ照射等によって形成される。縦穴２４は透光性基板１２を貫通して第１伝導型半導体層１４に到達し、第２伝導型半導体層１５には達しない深さになっている。また、縦穴２４は直径が数１０μｍになっており円柱状または円錐状に形成される。【００４３】  縦穴２４はＬＥＤチップ１１ｃの上下方向の電気的な通路（電気的パス）として利用される。電気的パスを形成するために、縦穴２４の内面にそって金属薄膜等の導電性材料２１が蒸着やスパッタ等により形成される。縦穴２４の断面形状を深さ方向に先細りにすると、縦穴２４の内面に所定の厚さの導電性材料２１を容易に形成することができる。【００４４】  また、縦穴２４は透光性基板１２の第２の面１２ｂ上の開口よりも面積の大きなパッド電極２２により塞がれる。これにより、パッド電極２２と第１伝導型半導体層１４とが導電性材料２１を介して電気的に接続される。パッド電極２２にはワイヤーボンディングされるワイヤー２３を介してリード電極３１が接続されている。尚、導電性材料２１の全部または一部を透光性材料により形成すると、導電性材料２１による遮光を低減して発光出力の低下を防止することができる。【００４５】  上記構成の発光ダイオード１１Ｃにおいて、リードフレーム３０から成る電極と、リード電極３１との間に所定の電圧を供給すると、リードフレーム３０、導電性接着剤２０、電極１７、第２伝導型半導体層１５、発光層１６、第１伝導半導体層１４、導電性材料２１、パッド電極２２、ワイヤ２３、リード電極３１の経路が形成され、発光層１６が発光する。【００４６】  本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電流の経路に電界が集中する箇所が少ない構造となるため発光ダイオード１１Ｃの静電耐圧を向上させることができる。また、従来の発光ダイオードは通常、電圧を印加する各電極が透光性基板１２の一方の発光観測面側に配置される。これに対して、発光ダイオード１１Ｃは透光性基板１２の第１の面１２ａ側と第２の面１２ｂ側とに電極をそれぞれ配置することができる。その結果、電極による遮光を抑制して光取り出し効率も向上させることができる。更に、ワイヤボンディングを１箇所行うだけで済み、発光ダイオード１１Ｃの組立作業性を高めることができる。尚、第２実施形態と同様の絶縁膜１９ａ（図３参照）を傾斜面１９に設けてもよい。【００４７】  次に、図５は第４実施形態の発光ダイオードを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図４に示す第３実施形態と同一の部分には同一の符号を付している。本実施形態の発光ダイオード１０Ｄは、ＬＥＤチップ１１ｄの第２伝導型半導体層１５に開口部２７が設けられる。縦穴２４は透光性基板１２及び第１伝導型半導体層１４を貫通して開口部２７上に設けられる。その他の部分は第３実施形態の発光ダイオード１０Ｃと同様である。【００４８】  開口部２７は第２伝導型半導体層１５を形成した後にエッチング加工等により形成される。縦穴２４はレーザ照射等により形成され、透光性基板１２及び第１伝導型半導体層１４を貫通して開口部２７に到達する。縦穴２４には内壁に沿って導電性材料２１がスパッタ等により形成されている。これにより、導電性材料２１は第１導電型半導体層１に導通する。【００４９】  また、開口部２７内には縦穴２４を覆う導電膜２５が形成される。導電膜２５により導電性材料２１と第１導電型半導体層１４とをより確実に導通させることができる。尚、導電膜２５の周囲は開口部２７に充填される絶縁体２６で覆われる。これにより、第１、第２導電型半導体層１４、１５の短絡を防止することができる。【００５０】  本実施形態によると、前述の図３に示す第３実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、第３実施形態の発光ダイオード１０Ｃは、縦穴２４を薄い第１伝導型半導体層１４を貫通しないように形成する必要があるため、レーザ照射の制御が困難である。これに対して、本実施形態は予め第２伝導型半導体層１５に開口部２７を形成した後、第１伝導型半導体層１４を貫通して縦穴２４を形成すればよいので、レーザ照射を容易に制御することができる。【００５１】  以上、本発明の具体例について述べたが、上述のような本発明の発光ダイオードは、透光性基板１２の第１の面１２ａに発光層１６を含む半導体層９を積層するとともに第１の面１２ａに対向する第２の面１２ｂを発光観測面とする発光素子を、導電性接着材料２１によりリードフレーム３０に固定した周知の発光ダイオードに対して等しく適用可能である。【００５２】  特に、透光性基板１２上に窒化ガリウム系化合物から成る発光層１６を有する青色発光ダイオードは発光効率が低いため、本発明を適用することにより発光出力を著しく向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】  本発明によると、カップ型のリードフレームを有する発光ダイオードに利用して発光出力を向上することができる。特に、発光効率の低い青色発光ダイオードに好適である。
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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