JP7053252B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外線を発光する半導体発光装置に関する。

従来、青色や白色の光を発光する半導体発光装置として、発光ダイオード（ＬＥＤ）をシリコーン樹脂等の封止樹脂で封止した樹脂封止型の半導体発光装置が一般に知られている。これに対して、紫外線を発光する半導体発光装置、特に波長３００ｎｍ以下の深紫外光を発光する半導体発光装置では、石英などのガラスで封止されたガラス封止パッケージが主流である

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

特開２００８－０４１９６８号公報

上述のガラス封止パッケージは、高コストであり、ガラスの封着歩留りが低いといった課題があることから、紫外光を発光する半導体発光装置においても、樹脂封止型とすることが望まれている。

しかしながら、特に深紫外光を発光する半導体発光装置においては、封止樹脂が発光光自体の影響で劣化しやすく、寿命が短くなってしまうという課題があった。十分な寿命を確保するためには、光出力を非常に小さくしなければならず、実用的な光出力と寿命とを両立することは困難であった。

そこで、本発明は、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、成長基板と、前記成長基板上に形成され紫外光を発光する発光層を含む窒化物半導体層と、を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装されるパッケージ基板と、前記半導体発光素子を封止するとともにシリコーン樹脂を主成分とする樹脂からなる封止樹脂と、を備え、前記半導体発光素子は、前記成長基板の前記パッケージ基板側に前記窒化物半導体層が位置する姿勢で、前記パッケージ基板にフリップチップ実装されており、前記成長基板における前記窒化物半導体層と反対側の面である光出射面と前記封止樹脂との間に設けられ、前記光出射面のみに形成されたコート膜（蛍光成分を含有するものを除く）をさらに備え、前記コート膜は、ＳｉＯ _２ を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ _２ からなり、前記コート膜の屈折率及び前記封止樹脂の屈折率は、前記成長基板の前記光出射面を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜と前記封止樹脂との屈折率差が０．１５以下であり、前記コート膜の厚さは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、半導体発光装置を提供する。

本発明によれば、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の半導体発光装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置を用いた発光装置の断面図である。 半導体発光素子の積層構造を説明する説明図である。 （ａ）はコート膜を形成しない従来例におけるエバネッセント光の封止樹脂への影響を説明する説明図であり、（ｂ）はコート膜を形成した本発明における全反射光の封止樹脂への影響を説明する説明図である。 本発明の実施例及び従来例の通電試験の結果を示すグラフ図である。 発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。 本発明の一変形例に係る発光装置の断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る半導体発光装置を用いた発光装置の断面図である。図２は、半導体発光素子の積層構造を説明する説明図である。

半導体発光装置１は、紫外光を発光する半導体発光素子２と、半導体発光素子２が実装されるパッケージ基板３と、半導体発光素子２を封止する封止樹脂４と、コート膜５と、を備えている。以下、各部材について詳細に説明する。

（パッケージ基板３）
パッケージ基板３は、略直方体形状に形成されると共に、その上面に凹部３ａが形成されている。パッケージ基板３は、例えば高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）からなる。

（半導体発光素子２）
半導体発光素子２は、波長３００ｎｍ以下の紫外光（深紫外光）を発光する紫外光ＬＥＤからなる。図２に示されるように、半導体発光素子２は、成長基板２１と、成長基板２１上に形成されたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体層２２と、電極２３と、を有している。本実施の形態では、窒化物半導体層２２は、成長基板２１側から順次、ＡｌＮからなるバッファ層２２ａ、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層２２ｂ、ＡｌＧａＮを含む発光層２２ｃ、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層２２ｄ、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２２ｅを順次形成して構成されている。電極２３は、コンタクト層２２ｅ上に形成されたアノード側電極部（ｐ電極）２３ａと、ｎクラッド層２２ｂ上に形成されたカソード側電極部（ｎ電極）２３ｂと、を有している。

半導体発光素子２は、凹部３ａに収容され、凹部３ａの底面に実装されている。半導体発光素子２は、成長基板２１を上側（凹部３ａの開口側）とし、窒化物半導体層２２を下側（凹部３ａの底面側、パッケージ基板３側）として、パッケージ基板３にフリップチップ実装されている。図示していないが、電極２３ａ，２３ｂは、パッケージ基板３に設けられた電極と、金バンプ等を介して電気的に接続されている。

本実施の形態では、発光層２２ｃで発光した紫外光は、成長基板２１を通って半導体発光素子２の外へと導かれる。そのため、本実施の形態では、成長基板２１の表面（窒化物半導体層２２と反対側の面）が半導体発光素子２の光出射面２４となる。また、本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材は成長基板２１となる。よって、成長基板２１としては、発光した紫外光の透過率がなるべく高いものを用いることが望ましく、より具体的には、発光した紫外光の透過率が７０％以上のものを用いることが望ましい。成長基板２１としては、サファイア基板やＡｌＮ基板等の単結晶基板を用いることができる。本実施の形態では、成長基板２１として、サファイア基板を用いた。なお、成長基板２１は、紫外光の透過率が低い場合や、取り出し効率を高める場合は、レーザ剥離、化学エッチングなどの方法で除去してもよい。この場合、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材は、バッファ層２２ａとなる。また、成長基板２１と共にバッファ層２２ａも除去して、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材をｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層２２ｂとすることもできる。

（封止樹脂４）
封止樹脂４は、半導体発光素子２全体を覆うように設けられている。封止樹脂４は、パッケージ基板３の凹部３ａに充填されると共に、パッケージ基板３の上方に盛り上がるように設けられており、その上面が滑らかな曲面形状（例えば半球状、あるいは半楕円球状）となるように形成されている。これにより、例えば上面を平面とした場合と比較して、封止樹脂４と空気との境界における全反射を抑制して光の取り出し効率を向上できる。また、封止樹脂４がレンズの役割を果たすようになり紫外光の照射方向を制御可能となる。また、封止樹脂４としては、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材（ここではサファイア基板）の屈折率と、空気の屈折率の中間の屈折率を有するものを用いることが望ましい。これにより、半導体発光素子２の光出射面２４から紫外光を取り出す効率が向上し、発光強度の向上に寄与する。

つまり、封止樹脂４は、半導体発光素子２を覆って半導体発光素子２を保護する役割と、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材と空気間の屈折率差を緩和して光の取り出し効率を向上する役割と、紫外光の照射方向を制御するレンズとしての役割と、を兼ねている。

封止樹脂４としては、半導体発光素子２が発光する紫外光の透過率がなるべく高いものを用いることが望ましく、封止樹脂４における紫外光（ここでは３００ｎｍ以下の深紫外光）の透過率が８０％以上であるとよい。また、封止樹脂４としては、紫外光により容易に劣化しにくいものを用いることが望ましい。具体的には、封止樹脂４としては、シリコーン樹脂やフッ素樹脂を主成分とする樹脂を用いることができる。なお、封止樹脂４は、フィラー等を適宜含んでいてもよい。本実施の形態では、より低コストであるシリコーン樹脂を封止樹脂４として用いた。

（封止樹脂４の劣化について）
封止樹脂４として用いるシリコーン樹脂は、比較的紫外光による劣化が少ないものの、メチル基など、特に官能基などの有機成分で紫外光による劣化が発生する。よって、封止樹脂４が高強度の紫外光に晒されると、劣化が激しくなり、半導体発光装置１の寿命が低下してしまう。

ここで、図３（ａ）に示すように、半導体発光素子２の光出射面２４と封止樹脂４とが直接接している場合において、成長基板２１（すなわち半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材、以下同様）側から封止樹脂４側に光を入射する場合を考える。成長基板２１であるサファイア基板の屈折率（１．８程度）は、封止樹脂４であるシリコーン樹脂の屈折率（１．４程度）よりも大きい。よって、臨界角以上の入射角で光を入射させると、この光は、成長基板２１と封止樹脂４との界面にて全反射する。

このとき、成長基板２１側の光が封止樹脂４側で急にゼロとはならず、封止樹脂４側にエバネッセント光と呼ばれる光がしみ出す。このエバネッセント光の光強度は、界面からの距離の関数となり、界面（距離＝０）においては、全反射する光の光強度に等しくなる。つまり、成長基板２１と封止樹脂４との界面近傍（図３（ａ）の領域Ａ）の封止樹脂４は、界面を透過する光のみならず、界面にて全反射する光の影響も受けてしまう。

封止樹脂４の劣化は、紫外光にさらされるすべての領域において発生するが、上述のように、特に、成長基板２１との界面近傍においては、紫外光の光密度が非常に高くなり、この影響により、封止樹脂４が変質、硬化、収縮する。その結果、成長基板２１と封止樹脂４間に強い応力が発生し、応力が限界に達すると、成長基板２１との界面において封止樹脂４が破断し、クラックが発生してしまう。

そこで、本実施の形態では、図３（ｂ）に示すように、成長基板２１と封止樹脂４との間に、封止樹脂４と略同一の屈折率を有するコート膜５を挿入することで、全反射が起こる界面を成長基板２１とコート膜５との界面にずらしている。これにより、全反射が起こる界面から封止樹脂４が離れるため、封止樹脂４への全反射光の影響が抑えられ、封止樹脂４の劣化を抑制することが可能になる。

（コート膜５の説明）
コート膜５は、成長基板２１と封止樹脂４との間に設けられる。コート膜５は、封止樹脂４への全反射光の影響（エバネッセント光の影響）を抑制するためのものである。

成長基板２１からの光の取り出し効率を向上させるために、コート膜５の屈折率及び封止樹脂４の屈折率は、成長基板２１の屈折率よりも小さくする必要がある。また、成長基板２１と封止樹脂４との界面での全反射を抑制するために、コート膜５の屈折率は、封止樹脂４の屈折率と同等である必要がある。

具体的には、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差が０．１５以下であるとよい。つまり、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、成長基板２１の屈折率をｎ_１、コート膜５の屈折率をｎ_２、封止樹脂４の屈折率をｎ_３とすると、これら屈折率ｎ_１～ｎ_３が、下式（１）～（３）
ｎ_１＞ｎ_２ ・・・（１）
ｎ_１＞ｎ_３ ・・・（２）
｜ｎ_２－ｎ_３｜≦０．１５ ・・・（３）
を全て満たしている。

なお、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差が０．１５より大きい場合、ｎ_２＞ｎ_３であるときには、成長基板２１とコート膜５との界面での全反射が減少して、コート膜５と封止樹脂４との界面での全反射が大きくなるため、封止樹脂４への全反射光による影響を十分に抑えることができず、封止樹脂４の劣化を抑制する効果が小さくなる。また、屈折率差が０．１５より大きく、ｎ_２＜ｎ_３である場合には、成長基板２１とコート膜５との界面での全反射が著しく大きくなり、透過光が著しく減少するため、光出力が低下してしまう。すなわち、上述の式（１）～（３）を全て満たすことで、光出力を向上させつつも、封止樹脂４の劣化を抑制し寿命を向上させることが可能になる。

また、コート膜５を設けることによる光損失を小さくするため、コート膜５における紫外光（ここでは３００ｎｍ以下の深紫外光）の透過率は９０％以上であることが望ましい。

さらに、コート膜５は、有機成分を可能な限り含まず、紫外光に対する十分な耐光性を有していることが望ましく、紫外光の照射によって変質、収縮、クラックの発生など、物理的な変化が生じ難いものを用いることが望ましい。

このような条件を満たすコート膜５として、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ_２を用いることができる。ガラス膜は、アルコール可溶型有機ケイ素化合物等のガラス化硬化材料のガラス転化や、シラザンなどのガラスコート材の塗布、ガラス転化により形成することができる。アモルファスＳｉＯ_２は、例えば、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ゾルゲル法等で形成することができる。本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４の上面にアルコール可溶型有機ケイ素材を塗布し、ガラス転化させることにより、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜からなるコート膜５を形成した。

コート膜５としてガラス膜を用いる場合、コート膜５におけるクラックの発生を抑制するために、コート膜５の厚さは、できるだけ薄いことが望ましく、２５μｍ以下であることが望ましい。より好ましくは、コート膜５の厚さは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であるとよい。

また、コート膜５の表面（封止樹脂４側の面）が、曲面状に形成されていてもよい。例えば、コート膜５を形成する際に、上面視における半導体発光素子２の光出射面２４の中央部にてガラスコート材を厚めに塗布しておき、塗布したガラスコート材をガラス転化させることで、封止樹脂４側に凸となる曲面状（例えば半球状）の表面を有するコート膜５を形成することができる。これにより、コート膜５と封止樹脂４との界面における全反射を抑制して、光の取り出し効率を向上できる。ただし、この場合も、コート膜５のクラックの発生を抑制するため、コート膜５の最大厚さは、５．０μｍ以下であることが好ましい。

なお、コート膜５は、上述のように透過率が非常に高く、かつ紫外光に対する耐光性が良好であることが望まれることから、樹脂ではなくガラス材を用いることが望まれる。そこで、例えば、封止樹脂４を省略してガラス材のみで半導体発光素子２を封止することも考えられるが、この場合、ガラス材の形状をレンズ形状等に加工するために高温でのプロセスが必要となり、製造の容易性（加工性、量産性）や半導体発光素子２の特性劣化が問題となる。本実施の形態で封止樹脂４として用いているシリコーン樹脂は、ガラス材と比較して耐光性は劣るものの、成型性が高く、光取り出し効率の高いレンズ形状等に容易に成型可能である。本実施の形態に係る半導体発光装置１では、耐光性をガラス材からなるコート膜５に、成型性をシリコーン樹脂からなる封止樹脂４にそれぞれ担わせることで、光取り出し効率の向上、寿命向上、及び製造の容易性を同時に実現している。

（通電試験の結果の説明）
半導体発光素子２の光出射面２４にアルコール可溶型有機ケイ素材を塗布し、ガラス転化させてコート膜５を形成した後、封止樹脂４により半導体発光素子２を封止して図１の半導体発光装置１を作製し、本発明の実施例とした。また、コート膜５を省略した以外は図１と同様の構成として、従来例の半導体発光装置を作製した。作製した実施例及び従来例の半導体発光装置について、通電試験を行い、通電時間（試験時間）毎の光出力を測定すると共に、封止樹脂４でのクラックの発生の有無を観察した。試験結果を図４にまとめて示す。

封止樹脂４の観察の結果、図４において光出力が大きく低下したときに、封止樹脂４にクラックが発生していることが確認された。図４の結果から、コート膜５を形成することにより、従来例と比較して、寿命（信頼性）が１．５倍程度向上していることが確認された。

本実施の形態では、半導体発光素子２の光出射面２４（半導体発光素子２の上面）のみ
にコート膜５を形成したが、図５に示すように、半導体発光素子２の全体を覆うようにコ
ート膜５を形成してもよい。この場合、コート膜５がパッケージ基板３の表面（凹部３ａ
の底面）まで連続して覆っていてもよい。

（変形例）
本実施の形態では、封止樹脂４の上面を半球状とする場合について説明したが、
封止樹脂４の形状はこれに限定されない。例えば、封止樹脂４は、図６のように上面が平
坦となっていてもよいし、また、図７のように、上面が凹状となっていてもよい。また、
図８のように、封止樹脂４を凹部３ａに平坦に充填したのちに石英あるいはサファイア等
からなるレンズ６を装着してもよい。なおレンズ６の形状は、図６のように半球状であっ
てもよいし半球以外でも、凸型、凹型、あるいはそれ以外の形状でもよい。

さらに、図９に示すように、パッケージ基板３が、平板状に形成されていてもよい。この場合、封止樹脂４は半導体発光素子２全体を覆うように形成されていればよく、鋳型等で半球などの所望の形状に成型されていてもよい。図９では、封止樹脂４の流出を防止するためのダム材７がパッケージ基板３に形成されている場合を示しているが、このダム材７は、封止樹脂４の成型後に除去されてもよい。

（実施の形態の作用及び効果）
光出力の大きさと封止樹脂４の劣化速度とは相関関係がある。そのため、従来の樹脂封止型の半導体発光装置では、例えば数１０００時間程度の実用的な素子寿命を保証するためには、例えば数ｍＷ以下など、著しく低い光出力で駆動するしかなかった。従来の樹脂封止型の半導体発光装置において、一般的な定格光出力である数１０ｍＷ程度の光出力で駆動した場合、封止樹脂４の劣化のため、実用的な寿命を保証することが困難であった。つまり、従来の樹脂封止型の半導体発光装置では、光出力が著しく低い、あるいは、寿命保証がなされていないなど、実用性と信頼性の点で、十分とはいえない状況であった。

そこで、本実施の形態に係る半導体発光装置１では、半導体発光素子２の光出射面２４と封止樹脂４との間にコート膜５を備えた。コート膜５を備えることにより、封止樹脂４が半導体発光素子２の光出射面２４で全反射する光の影響を受けにくくなり、半導体発光素子２の光出射面２４の近傍（界面付近）の封止樹脂４における光強度（光密度）が低下する。上述のように、封止樹脂４の劣化は光強度と相関関係があるため、半導体発光素子２が発光する紫外光による封止樹脂４の劣化を大幅に抑制することが可能になる。その結果、例えば数１０ｍＷ程度と実用的な光出力とした場合であっても、封止樹脂４の劣化が抑制され、長寿命化及び信頼性の向上に寄与する。

さらに、本実施の形態では、コート膜５の屈折率及び封止樹脂４の屈折率を、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材の屈折率よりも小さくし、かつ、コート膜５と封止樹脂４との屈折率差を０．１５以下としている。このような屈折率の関係を満たすことで、全反射の大部分が半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材とコート膜５との界面で発生することになり、当該界面を透過した光の大部分は、コート膜５と封止樹脂４との界面でも透過光となる。その結果、全反射光による封止樹脂４への影響がより抑制される。さらに、コート膜５と封止樹脂４の屈折率が、空気と半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材の中間の屈折率となるため、半導体発光素子２の光出射面２４を構成する部材とコート膜５との界面での全反射自体も抑制され、光の取り出し効果が向上する。よって、本実施の形態によれば、実用的な光出力と寿命とを両立した樹脂封止型の半導体発光装置１を実現できる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］紫外光を発光する半導体発光素子（２）と、前記半導体発光素子（２）が実装されるパッケージ基板（３）と、前記半導体発光素子（２）を封止する封止樹脂（４）と、を備え、前記半導体発光素子（２）の光出射面（２４）と前記封止樹脂（４）との間に設けられたコート膜（５）をさらに備え、前記コート膜（５）の屈折率及び前記封止樹脂（４）の屈折率は、前記半導体発光素子（２）の光出射面（２４）を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜（５）と前記封止樹脂（４）との屈折率差が０．１５以下である、半導体発光装置（１）。

［２］前記半導体発光素子（２）は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を発光する、［１］に記載の半導体発光装置（１）。

［３］前記コート膜（５）の厚さが、２５μｍ以下である、［１］または［２］に記載の半導体発光装置（１）。

［４］前記コート膜（５）の前記封止樹脂（４）側の面が、曲面状に形成されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。

［５］前記コート膜（５）における前記紫外光の透過率が９０％以上であり、前記封止樹脂（４）における前記紫外光の透過率が８０％以上である、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。

［６］前記封止樹脂（４）は、シリコーン樹脂を主成分とする樹脂からなり、前記コート膜（５）は、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ_２からなる、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の半導体発光装置（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…半導体発光装置
２…半導体発光素子
２１…成長基板
２２…窒化物半導体層
２４…光出射面
３…パッケージ基板
３ａ…凹部
４…封止樹脂
５…コート膜

Claims (4)

1. 成長基板と、前記成長基板上に形成され紫外光を発光する発光層を含む窒化物半導体層と、を有する半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が実装されるパッケージ基板と、
   前記半導体発光素子を封止するとともにシリコーン樹脂を主成分とする樹脂からなる封止樹脂と、を備え、
   前記半導体発光素子は、前記成長基板の前記パッケージ基板側に前記窒化物半導体層が位置する姿勢で、前記パッケージ基板にフリップチップ実装されており、
   前記成長基板における前記窒化物半導体層と反対側の面である光出射面と前記封止樹脂との間に設けられ、前記光出射面のみに形成されたコート膜（蛍光成分を含有するものを除く）をさらに備え、
   前記コート膜は、ＳｉＯ _２ を主成分とするガラス膜、あるいはアモルファスＳｉＯ _２ からなり、
   前記コート膜の屈折率及び前記封止樹脂の屈折率は、前記成長基板の前記光出射面を構成する部材の屈折率よりも小さく、かつ、前記コート膜と前記封止樹脂との屈折率差が０．１５以下であり、
   前記コート膜の厚さは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下である、
   半導体発光装置。
2. 前記半導体発光素子は、波長３００ｎｍ以下の紫外光を発光する、
   請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記コート膜の前記封止樹脂側の面が、曲面状に形成されている、
   請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記コート膜における前記紫外光の透過率が９０％以上であり、
   前記封止樹脂における前記紫外光の透過率が８０％以上である、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体発光装置。

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