JP6932019B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関し、特に、半導体発光素子を備える発光装置に関する。

近年、青色光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子が実用化されている。更には、波長の短い深紫外線を出力する発光素子の開発が進められている。深紫外線は高い殺菌能力を有することから、深紫外線の出力が可能な半導体発光素子は、医療や食品加工の現場における水銀フリーの殺菌用光源として注目されている。

また、殺菌用を初めとする様々な光源での利用を考慮すれば、半導体発光素子自体の発光強度を高めることが重要であるが、一方で、半導体発光素子単体の性能ではなく発光装置全体としての性能の向上に着目した開発も進められている。

例えば、特許文献１には、発光ダイオード素子が発する光を反射する反射板を設けた発光ダイオードパッケージが開示されている。この構成によれば、発光ダイオード素子から正面側に出射した光のうち、そのままでは利用されない光を正面側に反射して利用できるため、パッケージ全体としての発光効率の向上が期待される。

特開２００８−９８２４７号公報

しかしながら、上述の発光ダイオードパッケージが備える反射板は、発光ダイオード素子から側方へ向かう光を反射するためのものであり、発光ダイオード素子から該素子が搭載される配線基板用基材へ向かう光を反射することはできない。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、発光装置の発光効率を高める新たな技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子を搭載する搭載用基板と、半導体発光素子から搭載用基板に向かう光を反射する反射部材と、を備える。

この態様によると、半導体発光素子から搭載用基板に向かう光を利用することが可能となり、発光装置の発光効率を高めることができる。

反射部材は、半導体発光素子の光出射面を遮蔽しないように該半導体発光素子を取り囲むように配置されていてもよい。これにより、光出射面から正面に向かって出射する光を有効に利用できる。

反射部材は、半導体発光素子が配置される開口部が形成されていてもよい。これにより、半導体発光素子を搭載用基板に搭載してから反射部材を取り付けることができる。

半導体発光素子は、深紫外線を発するように構成されており、反射部材は、シリコン基材と、シリコン基材の一方の面に形成されたアルミニウムの反射層と、を有し、該反射層がシリコン基材を挟んで搭載用基板とは反対側に配置されていてもよい。これにより、深紫外線の反射率が高いアルミニウムの反射層によって、半導体発光素子から搭載用基板に向かう深紫外線を効率よく反射できる。

反射層は、半導体発光素子の光出射面よりも低い位置にある。これにより、例えば、半導体発光素子の側面から搭載用基板に向かう光を反射できる。

光出射面は、サファイア基板で構成されていてもよい。これにより、半導体発光素子を成長する際に利用する成長基板をそのまま光出射面として利用できる。

搭載用基板は、セラミックからなるパッケージ基板であり、パッケージ基板は、半導体発光素子が載置される凹部を有してもよい。半導体発光素子は、凹部の底面に表面実装されていてもよい。これにより、半導体発光素子をワイヤボンディングによって搭載用基板に実装する場合と比較して、半導体発光素子の出射光や反射層による反射光がワイヤによって妨げられることがない。また、反射部材を取り付ける際にワイヤと干渉するといったことがなく、半導体発光素子を実装してから反射部材を取り付けることができる。

反射部材を搭載用基板に固定する絶縁部を更に備えてもよい。これにより、反射部材と搭載用基板の導電部（例えば配線）との導通を防止できる。

本発明の別の態様は、発光装置の製造方法である。この方法は、搭載用基板を準備する工程と、搭載用基板に半導体発光素子を搭載する工程と、半導体発光素子から搭載用基板に向かう光を反射するように反射部材を配置する工程と、を含む。

この態様によると、発光効率の高い発光装置を製造できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現をその他の方法、その他の装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、発光装置の発光効率を高めることができる。

第１の実施の形態に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。 図１に示す発光装置のＡ−Ａ断面図である。 半導体積層構造からサファイア基板に入射した光（紫外線）の光路の一例を示した図である。 図４（ａ）は、本実施の形態に係る反射部材の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す反射部材のＢ−Ｂ断面図である。 本実施の形態に係る発光装置の製造方法のフローチャートを示す図である。 第２の実施の形態に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１の実施の形態）
［発光装置］
図１は、第１の実施の形態に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。図２は、図１に示す発光装置のＡ−Ａ断面図である。なお、図１では、パッケージ基板の開口部を封止する窓部材の図示を省略している。

発光装置１０は、半導体発光素子１２と、半導体発光素子１２を搭載する搭載用基板としてのパッケージ基板１４と、半導体発光素子１２からパッケージ基板１４の搭載面に向かう光を反射する反射部材１６と、半導体発光素子１２を駆動する際に電気的サージから半導体発光素子１２を保護するためのツェナーダイオード１８と、半導体発光素子１２が収容されている空間を封止するための透光性の窓部材２０と、を備える。

半導体発光素子１２は、発光スペクトルのピーク波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外線」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外線を出力するため、半導体発光素子１２は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、特に、ピーク波長λが約２４０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外線を発するＬＥＤチップである。

半導体発光素子１２は、透光性の成長基板であるサファイア基板２２と、サファイア基板２２上に成長した半導体積層構造２４と、第１の素子電極２６と、第２の素子電極２８と、を有する。サファイア基板２２の上面は光出射面２２ａとして機能する。これにより、半導体発光素子１２を成長する際に利用する成長基板としてのサファイア基板２２をそのまま光出射面として利用できる。

半導体積層構造２４は、サファイア基板２２上に形成される複数の層からなる。各層は、例えば、サファイア基板２２との格子不整合を緩和する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層（テンプレート層）、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｎ型コンタクト電極層、ｐ型コンタクト電極層、等を含む。

第１の素子電極２６および第２の素子電極２８は、半導体積層構造２４の活性層にキャリアを供給するための電極であり、それぞれがアノード電極またはカソード電極である。第１の素子電極２６および第２の素子電極２８は、光出射面２２ａと反対側に設けられている。第１の素子電極２６は、パッケージ基板１４の第１の配線電極３０に取り付けられ、第２の素子電極２８は、パッケージ基板１４の第２の配線電極３２に取り付けられる。

パッケージ基板１４は、３．５ｍｍ四方の矩形の上面１４ａおよび下面１４ｂを有する直方体形状の部材である。パッケージ基板１４は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）である。

パッケージ基板１４には、半導体発光素子１２を収容するための凹部３４が設けられており、上面１４ａには、開口部３６が形成されている。凹部３４の底面３４ａには、半導体発光素子１２を取り付けるための第１の配線電極３０および第２の配線電極３２が設けられている。パッケージ基板１４の下面１４ｂには、発光装置１０を外部基板などに実装するための第１の外側電極３８および第２の外側電極４０が設けられている。

ツェナーダイオード１８は、駆動回路の一部に用いられる受動素子の一例であり、半導体発光素子１２と同様にパッケージ基板１４の底面３４ａに実装される。

窓部材２０は、凹部３４の開口部３６を封止するように設けられる板状の保護部材である。窓部材２０は、半導体発光素子１２が発する紫外線を透過する材料で構成され、例えば、ガラス、石英、水晶、サファイアなどを用いることができる。窓部材２０は、特に深紫外線の透過率が高く、耐熱性および気密性の高い材料で構成されることが好ましく、パッケージ基板１４に比べて熱膨張係数の小さい材料で構成されることが好ましい。このような特性を備える材料として、石英ガラスを窓部材２０に用いることが望ましい。半導体発光素子１２が発する紫外線は、窓部材２０を介して窓部材２０の外面２０ａから発光装置１０の外部へと出射する。

パッケージ基板１４の上面１４ａと窓部材２０との間を封止する封止構造４２は、第１の金属層４４と、第２の金属層４６と、金属接合部４８とを有する。

第１の金属層４４は、パッケージ基板１４の上面１４ａに枠状に設けられている。第１の金属層４４は、例えばセラミック基板へのメタライズ処理により形成される。第１の金属層４４は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等がメッキされて形成され、例えば、Ｗ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造を有する。第１の金属層４４は、金属接合部４８と接合される。

第２の金属層４６は、窓部材２０の内面２０ｂに枠状に設けられている。第２の金属層４６は、真空蒸着やスパッタリングなどの方法により形成される。第２の金属層４６は、窓部材２０の内面２０ｂ上にチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）が順に積層される多層膜である。なお、チタンの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いてもよいし、白金（Ｐｔ）の代わりに銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）を用いてもよい。第２の金属層４６は、金属接合部４８と接合される。

金属接合部４８は、第１の金属層４４と第２の金属層４６の間に設けられ、パッケージの外周部においてパッケージ基板１４と窓部材２０の間を接合して封止する。金属接合部４８は、低融点の金属材料で構成され、例えば金錫（ＡｕＳｎ）や銀錫（ＡｇＳｎ）の合金を含む。金属接合部４８は、溶融状態において第１の金属層４４と第２の金属層４６との間に広がって共晶接合を形成する。

［反射部材］
次に、本実施の形態に係る反射部材について詳述する。図３は、半導体積層構造２４からサファイア基板２２に入射した光（紫外線）の光路の一例を示した図である。図３に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、光出射面２２ａ側にサファイア基板２２が配置されている。そのため、半導体積層構造２４で発生した光は、サファイア基板２２に入射した後、一部が光出射面２２ａで内面反射され、側面２２ｃから下方のパッケージ基板１４に向けて出射される場合がある。特に、サファイア基板２２の厚みが大きいと、光路長が長くなり、下方に向かう光（光束）が多くなる。このような光は、パッケージ基板１４に到達した時点で吸収されるため、発光装置１０における発光効率を低下させる一因となる。

そこで、本発明者は、半導体発光素子１２から下方（パッケージ基板１４側）に向かう光を発光装置１０の正面方向に反射することで、発光装置１０の発光効率を向上できる点に想到した。

図４（ａ）は、本実施の形態に係る反射部材１６の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す反射部材１６のＢ−Ｂ断面図である。

反射部材１６は、板状のシリコン基材５０と、シリコン基材５０の一方の面５０ａに蒸着等の手段で形成されたアルミニウムの反射層５２と、を有する。アルミニウムは、深紫外線の反射率が高いため、反射層５２として好適である。一方、アルミニウムの反射層をパッケージ基板１４の凹部３４の底面３４ａに直接設けることは、発光装置１０の製造上あるいはパッケージ基板１４の製造上難しい。

そこで、本実施の形態に係る反射部材１６は、ある程度形状を保持できる剛性を持ったシリコン基材５０を用い、その表面に反射層５２を設けることで、別部材としている。したがって、シリコン基材５０の厚みは１０μｍ〜４００μｍが好ましい。シリコン基材５０の厚みが小さ過ぎると形状を保持できない。一方、シリコン基材５０の厚みが大き過ぎると、反射層５２がサファイア基板２２の光出射面２２ａよりも上方になり、サファイア基板２２から出射した光（紫外線）を反射層５２で反射できなくなる。また、無駄に材料費が増大する。なお、反射層５２の厚みは１０ｎｍ〜１０μｍである。

反射部材１６は、半導体発光素子１２が配置される開口部１６ａと、ツェナーダイオード１８が配置される開口部１６ｂと、が形成されている。これにより、半導体発光素子１２やツェナーダイオード１８をパッケージ基板１４に搭載した後でも、反射部材１６を取り付けることができる。

また、反射部材１６は、図２に示すように、半導体発光素子１２の光出射面２２ａを遮蔽しないように半導体発光素子１２を取り囲むように配置されている。これにより、光出射面２２ａから正面に向かって出射する光を有効に利用できる。

また、反射部材１６は、反射層５２がシリコン基材５０を挟んでパッケージ基板１４とは反対側に配置されており、半導体発光素子１２からパッケージ基板１４に向かう光を反射する。これにより、深紫外線の反射率が高いアルミニウムの反射層５２によって、半導体発光素子１２からパッケージ基板１４に向かう深紫外線を効率よく反射でき、発光装置１０の照射光として利用することが可能となる。その結果、発光装置１０の発光効率が高まる。

また、反射層５２は、図２に示すように、半導体発光素子１２の光出射面２２ａよりも低い位置にある。これにより、半導体発光素子１２の側面２２ｃからパッケージ基板１４に向かう光を反射できる。なお、本実施の形態に係る半導体発光素子１２の高さ（光出射面２２ａの位置）は、底面３４ａから３００μｍ〜７００μｍ程度の範囲である。また、光出射面２２ａを構成するサファイア基板２２の厚みは、３００μｍ〜５００μｍ程度の範囲である。そして、反射部材１６は、光出射面２２ａより低い位置になるように厚みが決定されている。より好ましくは、反射部材１６は、半導体積層構造２４の上面よりも低い位置になるように厚みが決定されている。

また、本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、フリップチップ型のＬＥＤチップであり、凹部３４の底面３４ａに表面実装されている。これにより、半導体発光素子１２をワイヤボンディングによってパッケージ基板１４に実装する場合と比較して、半導体発光素子１２の出射光や反射層５２による反射光がワイヤによって妨げられることがない。また、反射部材１６を凹部３４に取り付ける際にワイヤと干渉するといったことがなく、半導体発光素子１２を実装してから反射部材１６を取り付けることができる。

また、反射部材１６は、図４（ｂ）に示すように、シリコン基材５０の他方の面５０ｂに、反射部材をパッケージ基板１４に固定する絶縁部５４を更に備えてもよい。絶縁部５４は、例えば、樹脂等の接着剤である。これにより、反射部材１６とパッケージ基板１４の導電部（例えば第１の配線電極３０や第２の配線電極３２）との導通を防止できる。

図５は、本実施の形態に係る発光装置の製造方法のフローチャートを示す図である。図５に示すように、本実施の形態に係る発光装置の製造方法は、パッケージ基板１４を準備する工程（Ｓ１０）と、搭載用基板に半導体発光素子を搭載する工程（Ｓ１２）と、半導体発光素子から搭載用基板に向かう光を反射するように反射部材を配置する工程（Ｓ１４）と、を含む。これにより、発光効率の高い発光装置を簡易な工程で製造できる。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。なお、図６では、パッケージ基板の開口部を封止する窓部材の図示を省略している。図６に示す発光装置６０は、反射部材６２の形状が第１の実施の形態に係る反射部材１６と異なる以外は、発光装置１０とほぼ同様の構成である。

図２に示すように、凹部３４の全体に渡って反射部材１６を設けた場合、半導体発光素子１２の側面から出射した光のうち反射層５２の外周領域に向かう光（点線の矢印）を反射することはできる。しかしながら、反射層５２の外周領域で反射された光は、パッケージ基板１４の内壁に向かい吸収されてしまうため、窓部材２０から出射しない。

一方、本実施の形態に係る反射部材６２は、半導体発光素子１２が配置される開口部６２ａが形成されているが、半導体発光素子１２の側面の近傍にしか存在しない。これにより、反射部材６２が小型化され、材料費も低減される。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の各形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ 発光装置、 １２ 半導体発光素子、 １４ パッケージ基板、 １６ 反射部材、 １６ａ，１６ｂ 開口部、 ２２ サファイア基板、 ２２ａ 光出射面、 ２２ｃ 側面、 ２４ 半導体積層構造、 ３４ 凹部、 ３４ａ 底面、 ３６ 開口部、 ５０ シリコン基材、 ５２ 反射層、 ５４ 絶縁部。

Claims (5)

1. 深紫外線を発するように構成されている半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を搭載する搭載用基板と、
   前記半導体発光素子から前記搭載用基板に向かう光を反射する反射部材と、を備え、
   前記搭載用基板は、セラミックからなるパッケージ基板であり、
   前記パッケージ基板は、前記半導体発光素子が載置される凹部を有し、前記凹部の底面上に第１の配線電極および第２の配線電極が設けられており、
   前記半導体発光素子は、前記凹部の底面にフリップチップ実装されており、前記第１の配線電極に取り付けられるアノード電極と、前記第２の配線電極に取り付けられるカソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極上に設けられる半導体積層構造と、前記半導体積層構造上に設けられる３００μｍ〜５００μｍの厚みを有するサファイア基板と、を備え、
   前記反射部材は、
   前記凹部に設けられており、
   １０μｍ〜４００μｍの厚みを有するシリコン基材と、前記シリコン基材の一方の面に形成された１０ｎｍ〜１０μｍの厚みを有するアルミニウムの反射層と、を有し、前記反射層が前記シリコン基材を挟んで前記搭載用基板とは反対側に配置され、前記反射層が前記半導体積層構造の上面よりも下側に位置するように配置されており、
   前記反射部材の外周と前記凹部の内壁との間に隙間が形成されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記反射部材は、前記サファイア基板の上面および側面を遮蔽しないように前記半導体発光素子を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記反射部材は、前記半導体発光素子が配置される開口部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記反射部材は、前記半導体発光素子が配置される第１開口部と、ツェナーダイオードが配置される第２開口部とを有し、前記第１開口部および前記第２開口部を除いて前記凹部の底面の全体にわたって配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
5. 前記反射部材を前記搭載用基板に固定する絶縁部を更に備え、前記絶縁部は、少なくとも、前記反射部材と前記第１の配線電極の間、または、前記反射部材と前記第２の配線電極の間に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。

Images