JP4004514B2

JP4004514B2 - 白色半導体発光素子

Info

Publication number: JP4004514B2
Application number: JP2005179659A
Authority: JP
Inventors: 大平西原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: CN101203964A; JP2006352037A

Description

本発明は青色または紫外の光を発光する発光素子チップと、青色または紫外の光を赤色および緑色などに変換する発光色変換部材を用いて白色光を発光させる白色半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、緑色などに変換した光をさらに赤色などに変換することなどに起因して、余計な色変換部材を用いることなどが無く、効率よく白色に変換して、高輝度の白色光が得られる白色半導体発光素子に関する。

従来、たとえば青色発光の発光素子チップ（ＬＥＤチップ）を用いた白色の半導体発光素子は、たとえば図５に示されるように、青色光を発光するＬＥＤチップ３３上に蛍光層３４を付着させて覆い、その周囲を透明な樹脂３６で被覆することにより形成されている（たとえば特許文献１参照）。図５において、３１、３２は一対のリードで、一方のリード３１の凹部内にＬＥＤチップ３３がダイボンディングされ、他方の電極はワイヤ３５により他方のリード３２と接続されてランプ型の発光素子を構成している。しかし、このような白色発光素子では、蛍光層３４中に赤色蛍光体３４ａと緑色蛍光体３４ｂとが混在しているため、緑色に変換した光が赤色蛍光体３４ａに吸収されるとさらに赤色に変換され、混合する光の割合が一定せず、安定した発光色の白色が得られないと共に、蛍光層３４に何度も吸収されると蛍光体の変換効率が１００％ではないために光が減衰し、輝度が低下するという問題がある。

このような問題を解決するため、たとえば図６に示されるように、紫外光の光源４１上に、赤色蛍光体含有層４２、緑色蛍光体含有層４３、青色蛍光体含有層４４を別々に積層したり、平面的に別々に並べたりすることにより、緑色や青色に変換した光がさらに赤色蛍光体４２などにより変換されないようにする構造のものも知られている（たとえば特許文献２参照）。
特開２００４−３２７５１８号公報特開２００４−０７１３５７号公報

前述のように、白色の発光素子を得るには、青色発光のＬＥＤに緑色および赤色に変換する蛍光体を塗布するか、紫外光発光のＬＥＤに赤色、緑色、青色に変換する蛍光体を塗布することにより、赤、緑、青、の３原色の色の光を生成し、混合して白色光にする方法がとられている。この場合、赤や緑の蛍光物質を混合したものを用いると、緑色に変換した光が再度赤色に変換されるなど光の減衰が多くなると共に、各色への変換量が一定しないという問題がある。また、それぞれの蛍光層を別々に設けても、ＬＥＤから離れて蛍光層が設けられると、蛍光層の量が多くなって損失が増えるだけではなく、ＬＥＤと蛍光層との間での反射などにより光が減衰し、外部量子効率が低下するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、発光色変換部材を含む樹脂を直接ＬＥＤチップに、赤と緑などのそれぞれの発光色変換部材が混合しないように付着させることにより、外部量子効率を高くすることができる白色半導体発光素子を提供することを目的とする。

前述のように、たとえば青色の光を発光する発光素子と発光色変換部材を含有する樹脂とにより白色光の発光素子とするには、ＬＥＤチップの周囲に直接発光色変換部材を含有する樹脂を、それぞれの発光色変換部材を混合させないで付着させることが、外部量子効率を向上させるのに最も好ましいことを見出したが、ＬＥＤチップの大きさは、０.３ｍｍ立方程度の非常に小さなチップであるため、たとえば緑色変換部材を含む樹脂と、赤色変換部材を含む樹脂とを別々に所望の量でそれぞれ付着させることは非常に困難である。そこで、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、まず赤色変換部材を含有する樹脂でモールドして第１の樹脂層でＬＥＤチップを被覆し、さらに緑色変換部材を含む樹脂によりモールドして第２の樹脂層を形成することにより、それぞれを非常に薄い層で別々に形成することができ、非常に外部量子効率の高い白色半導体発光素子が得られることを見出した。

本発明による白色半導体発光素子は、両端部に一対の電極膜が形成される絶縁性基板と、該絶縁性基板上にマウントされる青色または紫外の光を発光する発光素子チップと、該発光素子チップの一対の電極を前記絶縁性基板に形成される一対の電極膜とそれぞれ電気的に接続される接続手段と、前記発光素子チップが発光する青色または紫外の光を赤色に変換する赤色変換部材が混入されたモールド樹脂からなり、前記発光素子チップおよび前記接続手段の部分を被覆するようにモールド成形された第１の樹脂層と、前記発光素子チップにより発光する青色または紫外の光を緑色に変換する緑色変換部材が混入されたモールド樹脂からなり、前記第１の樹脂層の周りを被覆するようにモールド成形された第２の樹脂層とを有し、前記発光素子チップに形成される一対の電極の１つが該チップの裏面側に形成されることにより、前記接続手段の一方は前記発光素子チップが前記一対の電極膜の一方の上にマウントされることによる接着剤であり、前記接続手段の他方は、前記発光素子チップの表面に設けられる電極と前記一対の電極膜の他方との間にワイヤボンディングされるワイヤであり、前記第１の樹脂層は、前記一対の電極膜の他方と接続されるワイヤの部分が厚く、前記一対の電極膜の一方の側が薄くなるように形成され、前記第２の樹脂層は前記ワイヤのある部分が薄く、前記一対の電極膜の一方の側が厚くなるように形成されている。

このような構成にすることにより、ワイヤボンディングにより赤色変換部材を含む樹脂の量が多くなる分、ワイヤの無い部分で緑色変換部材を含む樹脂を多くすることができて、少ない発光色変換部材の量で、各色のバランスを均等にすることができる。

本発明によれば、発光色変換部材を含有するモールド樹脂を、直接ＬＥＤチップの周囲にモールドにより被覆しているため、非常に正確な樹脂量でＬＥＤチップ周囲に被覆することができる。しかも、赤色変換部材を含有する樹脂によりモールドして第１の樹脂層を形成し、その後に再度緑色変換部材を含有する樹脂によりモールドして第２の樹脂層を形成しているため、ＬＥＤチップ周囲に赤色変換部材を含有する樹脂層が形成され、ＬＥＤチップで発光した青色光または紫外光は、その一部が赤色変換部材により赤色に変換され、その赤色の光と変換されない青色または紫外の光が第２の樹脂層に進む。緑色変換部材を含有する第２の樹脂層は、緑色より波長の長い赤色の光を吸収しないため、赤色の光はそのまま透過し、青色または紫外の光はその一部が緑色変換部材により吸収されて緑色に変換して、緑色の光を放出する。その結果第２の樹脂層からは透過する赤色の光と、第２の樹脂層で緑色に変換された緑色の光と、緑色変換部材にも吸収されないで透過する青色の光とが混合されて白色光となって放射される。なお、ＬＥＤチップが紫外光を発光する場合には、第２の樹脂層の外周にさらに青色変換部材を含有する第３の樹脂層を設けることにより、赤、緑、青の３原色を混合して白色光にすることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の白色半導体発光素子について説明をする。本発明による白色半導体発光素子は、図１（ｅ）に断面説明図が示されるように、両端部に一対の電極膜１１、１２が形成される絶縁性基板１上に、たとえば青色の光を発光する発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップともいう）２がマウントされ、ＬＥＤチップ２の一対の電極は接続手段３により、一対の電極膜（第１および第２の電極膜）１１、１２とそれぞれ電気的に接続されている。ＬＥＤチップ２および接続手段３の周囲は、ＬＥＤチップ２が発光する青色の光を赤色に変換する赤色変換部材４ａが混入されたモールド樹脂により被覆されて第１の樹脂層４が設けられ、その第１の樹脂層４の周囲は、ＬＥＤチップ２が発光する青色光を緑色に変換する緑色変換部材５ａが混入されたモールド樹脂により被覆されて第２の樹脂層５が設けられている。

第１の樹脂層４は、たとえばエポキシ樹脂のような通常の透光性でモールドすることができる樹脂に、赤色よりも波長の短い光を吸収して赤色に変化する赤色変換部材４ａを混入したものが用いられる。発光色変換部材は、この物質より大きいエネルギーを有する光、すなわちこの物質のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも短い波長の光を吸収して、この物質のバンドギャップに相当する光を発光するもので、赤色変換部材４ａとしては、たとえばユウロピウムで付活された酸化イットリウムやその複合酸化物、ユウロピウムで付活された窒化物や硫化物の蛍光体などを用いることができる。このように、発光色変換部材のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも短い波長の光を吸収するため、本発明では、ＬＥＤチップ１と接する第１の樹脂層４に光の３原色である赤、緑、青のうち最も波長の長い赤色に変換する赤色変換部材４ａを混入した樹脂が用いられている。その結果、ＬＥＤチップ２で発光する青色の光の一部が吸収されて赤色の光に変換し、その赤色の光が第２の樹脂層５で吸収されないようにされている。

第２の樹脂層５は、同様にエポキシ樹脂などのモールド用透光性樹脂に緑色変換部材５ａを混入したものが用いられる。緑色変換部材５ａとしては、たとえば２価のマンガンおよびユーロピウムで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体や、３価のセリウムで付活された希土類ケイ酸塩蛍光体などを用いることができる。

なお、図１に示される例では、ＬＥＤチップ２として青色発光のチップを用いているため、赤および緑に変換する第１および第２の樹脂層４、５が２重モールドにより設けられているが、ＬＥＤチップ２として、たとえば紫外光を発光するチップが用いられる場合には、第２の樹脂層５の外周にさらに青色に変換する青色変換部材を混入したモールド樹脂により第３の樹脂層を形成することもできる。そうすることにより、ＬＥＤチップ２から発光する紫外光を赤、緑、青の３原色に変換して混色されることにより、白色光にすることができる。この場合、青色変換部材としては、たとえばハロリン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ケイ酸塩蛍光体などを用いることができ、付活剤としては、たとえばセリウム、ユウロピウム、マンガン、ガドリニウム、サマリウム、テルビウム、スズ、クロム、アンチモンなどを用いることができる。

絶縁性基板１は、通常のチップ型発光素子の基板と同様のものを用いることができるが、たとえばアルミナ、ＢＴレジンなどからなり、０.１〜０.５ｍｍ程度の厚さのものを用いることができる。図１（ｅ）に示される発光素子としての大きさは、縦×横×高さが０.６〜１ｍｍ×１.５〜４ｍｍ×０.３〜１ｍｍ程度に形成されるが、製造段階では、１０×５ｃｍ程度の大きい基板に縦横に並列して複数個分同時に製造される。この大きな基板表面に、ＡｇやＡｕなどからなる一対の電極膜１１、１２が複数個分まとめて印刷などにより形成され、基板１の裏面にも裏面電極膜１１ａ、１２ａが形成され、各素子に分割された後に側面に設けられる側面電極１１ｂ、１２ｂにより表面の電極膜１１、１２と裏面電極１１ａ、１２ａとが接続されている。

図１に示される例では、青色発光のＬＥＤチップ２が用いられており、たとえば図２に一例の断面構成例が示されるように、窒化物半導体を用いたＬＥＤとして形成されている。しかし、この例に限定されず、酸化亜鉛系（ＺｎＯ系）化合物などを用いることもできる。紫外光を発光する場合でも、同様に窒化物半導体や酸化亜鉛系化合物を用いて発光させることができ、前述のように、赤色、緑色、青色の変換部材を用いた３重モールドにより白色光にすることもできる。このＬＥＤチップ２は、たとえば縦×横×高さが０.３ｍｍ×０.３ｍｍ×０.１５ｍｍ程度の大きさに形成される。ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。また、酸化亜鉛系化合物とは、Ｚｎを含む酸化物を意味し、具体例としては、ＺｎＯの他、IIＡ族元素とＺｎ、IIＢ族元素とＺｎ、またはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。

窒化物半導体を用いたＬＥＤは、図２に示されるように、たとえばｎ形ＳｉＣ基板２１上に、たとえばＡｌＧａＮ系化合物（Ａｌの混晶比が０の場合も含み、種々のものを含むことを意味する、以下同じ）からなる低温バッファ層２２が０.００５〜０.１μｍ程度設けられている。そして、このバッファ層２２上に、たとえばｎ形ＧａＮ層などにより形成されるｎ形層２３が１〜５μｍ程度、たとえば１〜３ｎｍ程度のＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２４が０.０５〜０.３μｍ程度、たとえばｐ形ＧａＮ層などにより形成されるｐ形層２５が０.２〜１μｍ程度の厚さに順次積層されることにより半導体積層部２９が形成されている。そして、ｐ形層２５の表面に、たとえばＺｎＯからなる透光性導電層２６が０.１〜１０μｍ程度設けられ、その上の一部に、Ｔｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕなどの積層構造により、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さのｐ側電極２７が、ＳｉＣ基板１の裏面にＴｉ-Ａｌ合金またはＴｉ／Ａｕの積層構造などで、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さのｎ側電極２８がそれぞれ設けられることにより形成されている。

前述の例では、基板としてＳｉＣ基板を用いたが、この材料に限らず、ＧａＮやＧａＡｓなど他の半導体基板を用いることもできるし、サファイア基板を用いることもできる。ＳｉＣなどの半導体基板であれば、図２に示されるように、一方の電極を基板の裏面に設けることができるが、サファイアのような絶縁性の基板の場合には、積層された半導体層の一部をエッチングで除去して下層の導電形層（図２の構成ではｎ形層２３）を露出させて、その露出部分に電極が形成される。なお、半導体基板を用いる場合、前述の例ではｎ形基板を用いて下層にｎ形層を形成しているが、基板および下層をｐ形層にすることも可能である。また、バッファ層２２も前述のＡｌＧａＮ系化合物には限定されず、他の窒化物層を用いることもできる。基板が絶縁基板である場合には、前述の絶縁性基板１に設けられる一対の電極膜１１、１２との接続手段は、両方ともワイヤボンディングによりなされ、第１の樹脂層４は、両方のワイヤを被覆するように形成される。しかし、絶縁基板が用いられる場合のように、表面側に両電極が形成される場合でも、図４を参照して後述するように、ワイヤボンディングによらないで、直接接着剤により接続することもできる。

さらに、ｎ形層２３およびｐ形層２５は、前述のＧａＮ層に限らず、ＡｌＧａＮ系化合物などでもよく、また、それぞれが単層ではなく、活性層側にＡｌＧａＮ系化合物のようなバンドギャップが大きくキャリアを閉じ込めやすい材料と、活性層と反対側にキャリア濃度を大きくしやすいＧａＮ層などとの複層で形成することもできる。また、活性層２４は、所望の発光波長に応じて、その材料は選択され、また、ＭＱＷ構造に限らず、ＳＱＷまたはバルク層で形成されてもよい。さらに、透光性導電層２６もＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯまたはＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でもよく、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができるものであればよい。Ｎｉ-Ａｕ層の場合、金属層であることから厚くすると透光性でなくなるため、薄く形成されるが、ＺｎＯやＩＴＯの場合は光を透過させるため、厚くても構わない。

このＬＥＤチップ２が、たとえば第１の電極膜１１上に導電性接着剤３１（接続手段３）を介してダイボンディングされることにより、ＬＥＤチップ２の基板側の電極（ｎ側電極２８）が第１の電極膜１１と電気的に接続され、上部電極（ｐ側電極２７）が金線などのワイヤ３２（接続手段３）により第２の電極膜１２と電気的に接続されている。ＬＥＤチップ２が絶縁基板上に窒化物半導体層を積層して形成される場合には、両電極ともワイヤにより電気的に接続されるか、図４に示されるように、フェースダウンでダイボンディングされる。ＬＥＤチップ２の周囲を被覆するように、前述の第１の樹脂層４および第２の樹脂層５がモールド成形により形成されている。この第１および第２の樹脂層４、５は、トランスファモールドまたはインジェクションモールドなどにより金型内に絶縁性基板１をセッティングして前述の樹脂を注入することにより行われる。

つぎに、この白色発光素子の製法を図１の工程説明図を参照しながら説明する。まず、図１（ａ）に示されるように、絶縁性基板１上に一対の電極膜１１、１２を形成する。前述のように複数個一度に製造するための大きな絶縁性基板１を用い、その表面にＡｇペーストなどの導電性ペーストをスクリーン印刷することなどにより、一対の電極膜１１、１２を形成すると共に、絶縁性基板１の裏面で、一対の電極膜１１、１２に対応する部分の端部側に裏面電極１１ａ、１２ａを形成する。

つぎに、図１（ｂ）に示されるように、一対の電極膜１１、１２の一方または絶縁性基板１の表面に青色または紫外の光を発光するＬＥＤチップ２をマウントし、ＬＥＤチップ２の一対の電極（ｐ側電極およびｎ側電極）を一対の電極膜１１、１２と電気的にそれぞれ接続する。図１に示される例では、ＬＥＤチップ２のｎ側電極が第１の電極膜１１と導電性接着剤３１（接続手段３）により接続され、ｐ側電極（上部電極）がワイヤ３２（接続手段３）をボンディングすることにより第２の電極膜１２と電気的に接続されている。

その後、図１（ｃ）に示されるように、ＬＥＤチップ２で発光する青色または紫外の光を赤色に変換する赤色変換部材４ａを混入した樹脂で、たとえばトランスファモールドによりＬＥＤチップの周囲を１次モールドすることにより第１の樹脂層４を形成する。この第１の樹脂層４は、大きな絶縁性基板１上に形成された多くのＬＥＤチップ２に纏めて、それぞれのＬＥＤチップ２のワイヤボンディングされたワイヤ３２の部分が完全に被覆するように形成されるが、その大きさは、縦×横×高さが０.５ｍｍ×０.５ｍｍ×０.２５ｍｍ程度と非常に小さい。

ついで、緑色変換部材を混入した樹脂を用いて２度目のトランスファモールドなどをすることにより第１の樹脂層４の周囲に第２の樹脂層５を密着させて形成する。この第２の樹脂層５の大きさは、縦×横×高さが、０.６ｍｍ×０.８ｍｍ×０.４ｍｍ程度で、第１の樹脂層４との金型との間隔（第２の樹脂層５の厚さ）は０.２ｍｍ程度と非常に薄い層に形成される。

その後、大きな絶縁性基板１から各素子に切断分離して、一対の電極膜１１、１２と裏面電極１１ａ、１２ａとを連結するように、Ａｇペーストのような導電性ペーストを絶縁性基板１の側面に塗布して乾燥させて側面電極１１ｂ、１２ｂを形成することにより、チップ型の白色半導体発光素子が得られる。なお、この側面電極は、絶縁性基板にスルーホールを形成しておき、予め接続しておくこともできる。また電極膜などは導電性ペーストによらないで、真空蒸着、メッキなどにより形成することもできる。

図３は、図１の変形例で、第１の樹脂層４を直方体ではなく、段付きに形成した例である。すなわち、前述のように、発光色変換部材を混入した樹脂は、できるだけＬＥＤチップ２に密着させて薄く形成するほうが光の減衰を防止して外部量子効率を向上させることができるが、ワイヤボンディングされている部分では、そのワイヤ３２の部分を第１の樹脂層４で完全に被覆する必要がある。そのため、ワイヤ部分では第１の樹脂層４の樹脂の量が多くなるので、第１の樹脂層４を外形が直方体形状ではなく段付き形状にして、ワイヤの無い部分でその第１の樹脂層４の樹脂の量を減らし、逆にその分第２の樹脂層５の樹脂の量を増やす構造にしたものである。他の部分は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

図４は、図１に示される構造のさらなる変形例を示す断面説明図である。すなわち、この例は、たとえばＬＥＤチップ２が絶縁基板上に半導体層が成長され、一対の電極が表面側に形成される（絶縁基板ではなく半導体基板でも一対の電極を表面側に形成することができる）場合の例で、ＬＥＤチップ２の一対の電極２７、２８が絶縁性基板１の表面に形成された一対の電極膜１１、１２に直接図示しない導電性接着剤によりダイボンディングされたもので、その他は、前述の図１および図３に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付しての説明を省略する。この例では、ワイヤボンディングがなされていないため、１次モールドの際にもワイヤの部分を広げる必要が無く、非常にコンパクトに第１および第２の樹脂層４、５を形成することができる。

本発明によれば、青色光または紫外光を発光するＬＥＤチップの周囲に直接発光色変換部材を混合した樹脂をモールド成形により形成しているため、非常に正確な樹脂量で、しかも非常に薄く形成することができるため、ＬＥＤチップで発光する光の減衰を非常に抑制しながら、艶色性の優れた白色光の発光をすることができる。さらに、本発明によれば、ＬＥＤチップを被覆する第１の樹脂層に赤色変換部材を含有させ、その周りの第２の樹脂層に緑色変換部材を含有させているため、青色または紫外光の色を変換した光が、他の発光色変換部材により再度変換されるという無駄が無く、より一層外部量子効率を向上させることができる。

本発明による白色半導体発光素子の一実施形態の製造工程を示す断面説明図である。図１に示される発光素子のＬＥＤチップの一例を示す断面説明図である。図１の変形例を示す断面説明図である。図１の他の変形例を示す断面説明図である。従来の白色発光素子の一例を示す図である。従来の白色光を得る他の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１絶縁性基板
２ＬＥＤチップ
３接続手段
４第１の樹脂層
４ａ赤色変換部材
５第２の樹脂層
５ａ緑色変換部材
１１第１の電極膜
１２第２の電極膜

Claims

両端部に一対の電極膜が形成される絶縁性基板と、該絶縁性基板上にマウントされる青色または紫外の光を発光する発光素子チップと、該発光素子チップの一対の電極を前記絶縁性基板に形成される一対の電極膜とそれぞれ電気的に接続される接続手段と、前記発光素子チップが発光する青色または紫外の光を赤色に変換する赤色変換部材が混入されたモールド樹脂からなり、前記発光素子チップおよび前記接続手段の部分を被覆するようにモールド成形された第１の樹脂層と、前記発光素子チップにより発光する青色または紫外の光を緑色に変換する緑色変換部材が混入されたモールド樹脂からなり、前記第１の樹脂層の周りを被覆するようにモールド成形された第２の樹脂層とを有し、前記発光素子チップに形成される一対の電極の１つが該チップの裏面側に形成されることにより、前記接続手段の一方は前記発光素子チップが前記一対の電極膜の一方の上にマウントされることによる接着剤であり、前記接続手段の他方は、前記発光素子チップの表面に設けられる電極と前記一対の電極膜の他方との間にワイヤボンディングされるワイヤであり、前記第１の樹脂層は、前記一対の電極膜の他方と接続されるワイヤの部分が厚く、前記一対の電極膜の一方の側が薄くなるように形成され、前記第２の樹脂層は前記ワイヤのある部分が薄く、前記一対の電極膜の一方の側が厚くなるように形成されてなる白色半導体発光素子。