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JP3486345B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JP3486345B2
JP3486345B2 JP19902098A JP19902098A JP3486345B2 JP 3486345 B2 JP3486345 B2 JP 3486345B2 JP 19902098 A JP19902098 A JP 19902098A JP 19902098 A JP19902098 A JP 19902098A JP 3486345 B2 JP3486345 B2 JP 3486345B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光装置に関
し、特にLED(light emitting diode:発光ダイオー
ド)などの半導体発光素子と複数種類の蛍光体との組み
合わせにより発光する半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせ
た半導体発光装置は、その組み合わせや種類を選択する
ことにより発光色を自由に変化させることができるた
め、新しい光源として注目されている。すなわち、半導
体発光素子から放出される1次光を蛍光体により波長変
換して2次光として取り出すことにより、得られる波長
の選択の自由度を大幅に拡げることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者の試
作検討の結果、半導体発光素子と複数の種類の蛍光体と
を組み合わせた従来の半導体発光装置では以下に詳述す
る問題があることが分かった。
【0004】図9は、従来の半導体発光装置の概略構成
を表す断面図である。すなわち、同図の半導体発光装置
は、リードフレーム102に形成された凹状のカップ部
の底面にLEDチップ101がマウントされ、ワイア1
06、107により配線され、蛍光体111〜113が
塗布されている。ここで、LED101は、紫外光領域
で発光するものであり、蛍光体は、その紫外光を吸収し
て赤色の光を放出する、赤色(R)蛍光体111、緑色
の光を放出する緑色(G)蛍光体112、青色の光を放
出する青色(B)蛍光体の混合物である。図9に示した
半導体発光装置は、このように、LED101からの紫
外光を波長変換してRGBからなる白色光を得ることが
できる。
【0005】しかし、本発明者が図9に示したような半
導体発光装置を試作・評価したところ、混合斑すなわち
発光の「むら」を引き起こしてしまうという問題がある
ことが分かった。具体的には、例えば、図9の半導体発
光装置を光の取り出し方向から眺めた場合に、発光部の
中央すなわちLED101の垂直上方付近と、それより
も端の周辺部分とでは、発光色が異なるという問題が発
見された。
【0006】本発明者はさらに詳細な検討を行った結
果、このような発光の「むら」は、RGBそれぞれの蛍
光体の比重や粒径の違いによるものであり、その塗布お
よび溶解させた樹脂の硬化の工程で発生することを見出
した。さらに、この現象にはLEDチップ101の存在
による蛍光体塗布面の段差が大きく影響を及ぼしている
ことを知得するに至った。
【0007】すなわち、図9から分かるように、LED
101の上部に塗布される蛍光体層と、LED101の
周囲のカップ部に塗布される蛍光体層とでは、その塗布
厚が大幅に異なる。LED101の厚みは、通常100
〜200μmであり、その上に塗布される蛍光体の塗布
厚は、数10μmである場合が多い。つまり、LEDの
上部と、LEDの周囲のカップ部では、蛍光体の塗布厚
が数倍も異なる。
【0008】塗布厚が異なると、塗布した蛍光体と溶媒
との混合物が乾燥、硬化するまでの時間が異なり、蛍光
体の比重の差などによってRGBの蛍光体粒子の偏析の
状態が異なる。ここで、蛍光体の粒径と比重について代
表的な値を挙げると、赤色(R)蛍光体の粒径は約6μ
m、比重は約6.4である。また、緑色(G)蛍光体の
粒径は約3μm、比重は約3.8であり、青色(B)蛍
光体の粒径は約4μm、比重は約4.2である。このよ
うに粒径や比重が異なる複数の蛍光体粒子を溶媒に混合
して塗布した場合には、塗布厚によって、蛍光体粒子の
偏析の状態が異なる。
【0009】例えば、塗布厚が厚い部分においては、比
重の大きい蛍光体粒子がより顕著に下方に偏析する。そ
の結果として、LED101の上部とその周囲とでは、
蛍光体の混合状態が異なり、発光色のバランスが異なる
ために、発光の「むら」が生ずることとなる。
【0010】図9をみても、LEDチップをマウントし
たことによる段差の存在により、LEDチップ上部と周
辺で蛍光体粒子の比重の違いにより混合比が異なってし
まい、その結果として、LEDからの発光を変換した直
上方向の光と横方向に向かい反射版で反射した光とで
は、その発光色に違いがあることは容易に見てとれる。
本発明は、かかる独自の課題の認識に基づいてなされた
ものである。すなわち、その目的は、蛍光体の塗布厚を
均一にすることにより発光の「むら」を解消することが
できる半導体発光装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数種類の蛍
光体を発光素子の周辺に塗布する場合に、それぞれの蛍
光体の比重や粒径の違いにより発生する混合斑を防ぐも
のであり、その構造として実装部材の上に埋め込まれた
形で発光素子をマウントし、このようにして得られた実
質的に平坦な面に複数の蛍光体を塗布する構造としたこ
とを特徴とする。このようにすれば、蛍光体の均一混
合、あるいは均一層上の塗布が可能になり色斑の無い発
光を実現することができる。
【0012】すなわち、本発明の半導体発光装置は、実
装部材と、前記実装部材にマウントされた発光素子と、
前記発光素子から放出される1次光を吸収して前記1次
光とは異なる波長を有する2次光を放出する蛍光体と、
を備えた半導体発光装置であって、前記蛍光体は、実質
的に平坦な面の上において一定の厚みを有するように形
成されていることを特徴とする。
【0013】または、本発明の半導体発光装置は、実装
部材と、前記実装部材にマウントされた発光素子と、前
記発光素子から放出される1次光を吸収して前記1次光
とは異なる波長を有する2次光を放出する蛍光体と、を
備えた半導体発光装置であって、前記実装部材は、前記
蛍光体が塗布される主面に凹部を有し、前記発光素子
は、前記実装部材の前記凹部に埋め込まれるようにマウ
ントされ、前記実装部材の前記主面と前記発光素子の上
面とは、実質的に同一の平面内に設けられることにより
実質的に平坦な塗布面を構成し、前記蛍光体は、前記塗
布面に一定の厚みを有するように塗布されていることを
特徴とする。
【0014】ここで、前記蛍光体は、互いに比重が異な
る2種類以上の蛍光体を含むことを特徴とする。
【0015】また、前記2種類以上の蛍光体は、それぞ
れの種類毎に層状に形成されて積層されていることを特
徴とする。
【0016】または、本発明の半導体発光装置は、発光
素子と、前記発光素子から放出される1次光を吸収して
前記1次光とは異なる第1の波長の光を放出する第1の
蛍光体と、前記発光素子から放出される1次光を吸収し
て前記1次光とは異なる第2の波長の光を放出する第2
の蛍光体と、を備えた半導体発光装置であって、前記第
1の蛍光体は、前記発光素子の光放出面の第1の領域の
上に設けられ、前記第2の蛍光体は、前記発光素子の光
放出面の前記第1の領域とは異なる第2の領域の上に設
けられていることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。
【0018】図1は、本発明の第1の実施の形態にかか
る半導体発光装置の要部構成を表す概略断面図である。
同図において、11はLEDチップであり、12はその
LEDをマウントするリードフレームである。13は赤
色(R)蛍光体、14は緑色(G)蛍光体、15は青色
(B)蛍光体であり、LED11からの光を吸収してそ
れぞれの波長帯の2次光を放出するものである。16,
17はLEDに駆動電流を供給するためのワイアであ
り、それぞれLEDの電極とリードフレームのリード部
にボンディングされている。
【0019】本発明の半導体発光装置が従来例と異なる
点は、リードフレーム12に凹部12Aが設けられ、L
EDチップ11がこの凹部12Aの内部に埋め込む形で
マウントされている点にある。本発明によれば、LED
11による段差が発生しないため、LEDの周囲の蛍光
体の塗布厚を一定にすることができる。その結果とし
て、蛍光体の偏析の状態を均一にすることができ、図9
に関して前述したような発光の「むら」を解消すること
ができる。
【0020】また、本実施形態においては、RGB蛍光
体のそれぞれを層状に形成している。すなわち、第1層
としてR蛍光体13からなる層が設けられ、第2層とし
てG蛍光体14からなる層が設けられ、第3層としてB
蛍光体15からなる層が設けられている。本発明によれ
ば、LED11の周囲において、蛍光体の塗布厚を均一
にすることができるので、このような3層構造も確実且
つ容易に実現することができる。
【0021】図1の半導体発光装置の製造方法は以下の
如くである。すなわち、LEDチップ11をフレーム1
2にマウントした後に、R蛍光体13を含んだ樹脂を塗
布して硬化させ、次にG蛍光体14を含んだ樹脂を塗布
して硬化させ、次にB蛍光体15を含んだ樹脂を塗布し
て硬化させて作成する。ここで、塗布する蛍光体の量や
順序については、それぞれの蛍光体の変換効率や塗布領
域内部での散乱を考慮して適宜決定することができる。
【0022】ここで、LED11の平面形状は通常、一
辺が400〜500μmの正方形状であるが、リードフ
レームの加工精度や、LED11をマウントする際の誤
差などを考慮すると、リードフレーム12の凹部12A
の開口寸法は、LED11の寸法の一割増し、40〜5
0μm程度大きめに形成することが望ましい。この場合
には、LEDの両側に隙間が生ずるが、この程度の寸法
であれば、塗布むらによる悪影響が生ずる心配はない。
【0023】かくして得られた半導体発光装置に、ワイ
ア16、17を介してバイアス電流を供給したところ、
LEDの上方からみて色斑の無い均一な白色発光が得ら
れた。また本半導体発光装置では指向角に対する色純度
も良く、この点でも従来構造の装置よりも優れているこ
とが分かった。
【0024】図2は、図1の半導体発光装置に搭載され
るLEDの構成を例示する概略断面図である。図中30
1はサファイア基板、302はn型GaNコンタクト
層、303はn型AlGaNクラッド層、304はIn
GaN活性層、305はp型AlGaNクラッド層、3
06はp型GaNコンタクト層、307はp側電極、3
08はn側電極である。図2のLEDは、青色から紫外
線領域の波長帯において極めて高い強度の発光を得るこ
とができるので、蛍光体と組み合わせて用いるのに好適
である。
【0025】なお、図示したLEDは、n側電極308
の形成面とp側電極307の形成面との間に段差部を有
するが、この段差の高さはせいぜい数μm以下に過ぎ
ず、蛍光体の偏析状態に影響を与えることはない。
【0026】本発明において用いることができる発光素
子は、蛍光体を励起するのに十分な特性(発光波長、発
光強度など)を有すれば良く、図2のLEDに限られる
ものではない。積層構造および材料を適宜種々変形して
作成可能である。例えば、基板301はサファイアに限
定されず、その他にも、例えば、スピネル、MgO、S
cAlMgO4、LaSrGaO4、(LaSr)(Al
Ta)O3などの絶縁性基板や、SiCSi、GaA
s、GaNなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの
効果を得ることができる。ここで、ScAlMgO4
板の場合には、(0001)面、(LaSr)(AlT
a)O3基板の場合には(111)面を用いることが望
ましい。
【0027】また、窒化物半導体として用いることがで
きる材料しては、BxInyAlzGa(1-x-y-z)N(O≦
x≦1、O≦y≦1、O≦z≦1)なる化学式で表され
るあらゆる組成のIII−V族化合物半導体を挙げること
ができ、さらに、V族元素としては、Nに加えてリン
(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含むもので
も良い。さらに、これらの窒化物半導体以外のIII−V
族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、或いはSi
Cなども同様に用いることができる。
【0028】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。図3は、本発明の第2の実施の形態にかかる
半導体発光装置を表す概略断面図である。同図において
は、図1と同様の部分については同一の符号を付した。
本実施形態の半導体発光装置は、RGB蛍光体13〜1
5を樹脂に一緒に混合して塗布、硬化させた点で第1実
施形態と異なる。すなわち、本実施形態においては、蛍
光体13〜15が、ランダムに混合されている。
【0029】図9に関して前述したように、従来の半導
体発光装置では、LEDによる段差の存在により、発光
の「むら」が多く発生してしまったのに対して、本実施
形態によればLED11をリードフレーム12に埋め込
んで段差を実質的になくしているために、蛍光体をラン
ダムに混合した場合においても発光の「むら」を解消で
きる。このように蛍光体をランダムに混合する場合は、
図1に例示したように層状に塗布するよりも容易に製造
することができる。
【0030】かくして得られた半導体発光装置にバイア
ス電流を供給したところ、LED11の上方から観察し
て色斑の無い均一な白色発光が得られた。つまり、本発
明によれば、従来と同様にRGB蛍光体を混合して塗布
しても発光「むら」の無い均一な発光を得ることができ
る。また、本装置では指向角に対する色純度も良く、こ
の点でも従来構造の装置よりも優れていることがわかっ
た。
【0031】次に、本発明の第3の実施の形態について
説明する。図4は、本発明の第3の実施の形態にかかる
半導体発光装置を表す概略断面図である。本実施形態の
半導体発光装置は、発光素子をマウントする実装部材と
して、前述したリードフレームの代わりに基板22が用
いられている点が異なる。すなわち、基板22には凹状
のカップ部が形成され、その底面には凹部22Aが設け
られている。LED11は、この凹部22Aに埋め込ま
れるようにマウントされ、ワイア16、17により配線
されている。
【0032】そして、実質的に平坦な面とされたカップ
部の底面とLED11の上面とに蛍光体13〜15が塗
布されている。
【0033】本実施形態においても、蛍光体の塗布面は
段差を有せず、実質的に平坦な面とされているので、図
9に関して前述したような偏析状態のむらが生ずること
はない。その結果として、均一な発光を得ることができ
る。
【0034】なお、図4においては、RGB蛍光体13
〜15を一緒に混合してランダムに塗布した例を表した
が、図1に例示したように、各蛍光体13〜15を層状
に塗布しても良い。
【0035】次に、本発明の第4の実施の形態について
説明する。図5は、本発明の第4の実施の形態にかかる
半導体発光装置を表す概略断面図である。本実施形態の
半導体発光装置も、前述した第3実施形態と同様に基板
22にLED11がマウントされている。しかし、本実
施形態においては、基板22のカップ部が樹脂25によ
り埋め込まれている点が異なる。すなわち、基板22に
は凹状のカップ部が形成され、その底面には凹部22A
が設けられている。このカップ部は、樹脂25により埋
め込まれ、この樹脂25の表面に蛍光体13〜15が塗
布されている。
【0036】本実施形態においても、蛍光体の塗布面す
なわち樹脂25の表面は段差を有せず、実質的に平坦な
面とされているので、図9に関して前述したような偏析
状態のむらが生ずることはない。その結果として、均一
な発光を得ることができる。また、本実施形態によれ
ば、LED11が樹脂25により封止されているので、
水分や各種の腐食性雰囲気の侵入によるLEDの劣化や
故障を防ぐことができる。その結果として、半導体発光
装置の信頼性を向上することができる。
【0037】なお、図5においては、RGB蛍光体13
〜15を一緒に混合してランダムに塗布した例を表した
が、図1に例示したように、各蛍光体13〜15を層状
に塗布しても良い。また、図5においては、LED11
を基板22に埋込みマウントした例を示したが、本実施
形態はこれに限定されず、基板22に凹部22Aを形成
せずに、カップ部底面の平坦なマウント面にLED11
をマウントしても良い。
【0038】次に、本発明の第5の実施の形態について
説明する。図6は、本発明の第5の実施の形態にかかる
半導体発光装置を表す概略断面図である。同図において
も、前述した第1実施形態及び第2実施形態と同様の構
造部分については同一の符号を付した。図中30は、L
ED11から放出される1次光に対して透明な樹脂によ
り形成されたレンズである。
【0039】本実施形態においては、LED11をリー
ドフレーム12上に埋め込みマウントした後に透明樹脂
のレンズ30を形成し、その表面にRGB蛍光体を塗布
した点に特徴を有する。レンズ30の表面は段差を有し
ないので、蛍光体を塗布した場合に、図9に関して前述
したような偏析状態のむらが生ずることはない。その結
果として、均一な発光を得ることができる。
【0040】さらに、本実施形態によれば、レンズ30
を設けたことによりさらに指向角が広くなり、表示用や
照明等の用途に広く適用することが可能となる。また、
図6にはリードフレームを用いた場合の構造を例示した
が、平面基板上へのマウントによって集積化すればその
用途は格段に広がり本発明の利点をさらに引き出すこと
ができる。
【0041】なお、図6においては、LED11をリー
ドフレーム12に埋込みマウントした例を示したが、本
実施形態はこれに限定されず、リードフレーム12に凹
部を形成せずに、平坦なマウント面にLED11をマウ
ントしても良い。
【0042】また、蛍光体13〜15も、図6に示した
ように層状に塗布せずに、溶媒中にRGB蛍光体13〜
15を一緒に混合してランダムになるように塗布しても
良い。
【0043】次に、本発明の第6の実施の形態について
説明する。図7は、本発明の第6の実施の形態にかかる
半導体発光装置を表す概略断面図である。同図において
も、前述した第1、第2実施形態と同様の部分について
は、同一の符号を付した。図中60は発光部が3つの領
域に分かれたLEDである。本実施形態は、LED60
の3分割された発光領域のそれぞれの上部にRGB蛍光
体13〜15を分けて塗布した点に特徴を有する。つま
り、LED60は、遮光板62によって、3つの領域に
分割され、それぞれの領域にRGB蛍光体13〜15の
いずれかが塗布されている。塗布されたそれぞれの蛍光
体は、LED60からの1次光を吸収して、それぞれの
発光波長の2次光を放出する。
【0044】本実施形態によれば、1つの半導体発光装
置においてRGBそれぞれの発光を別々に取り出すこと
が可能となり、または、それらの混合色も自由に表現で
きるようになる。
【0045】図8は、第6の実施形態において用いるこ
とができるLEDを表す概略断面図である。同図におい
ては、前述した図3と同様の構造部分については同一の
符号を付した。図中701は、n型GaN基板である。
この導電性基板上へ素子を作成することによってLED
の上下面に電極をそれぞれ形成することができる。発光
領域の分離は、p型GaNコンタクト層306からn型
GaN層302まで貫通するようにエッチングすること
により行う。その後、p型GaNコンタクト層306の
上にp側電極307を形成し、n型GaN基板701の
裏面には共通のn側電極308を作成して、本素子が完
成する。
【0046】なお、図7の半導体発光装置においては、
遮光板62を設けることにより、隣接する他の領域から
の蛍光体の励起を防いでいる。図示した以外にも、発光
領域同士の間隔を広くしたり、励起光に対して吸収する
ような材質あるいは吸収材を含んだ樹脂を用いて蛍光体
を分離するようにしても良い。本実施形態においても、
色斑のない均一な発光を得ることができる。
【0047】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明のこれらの具体
例に限定されるものではない。例えば、各実施形態で用
いた発光素子は、窒化物半導体を用いたLED以外に
も、蛍光体の励起のために十分な波長と発光強度を有す
る他の材料系の発光素子でもよい。また、各実施形態に
おいては蛍光体としてRGBの3種の蛍光体を用いた場
合を例示したが、種類の異なる2種類以上の組み合わせ
において本発明は有効である。例えば、青色の2次光を
放出する蛍光体と黄色の2次光を放出する蛍光体とを組
み合わせて白色光を得る場合においても本発明を同様に
適用して同様の効果を得ることができる。その他本発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能であ
る。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、リードフレームなどの
実装部材に対して、LEDなどの発光素子を埋め込まれ
た形でマウントすることにより、蛍光体の塗布面を実質
的に平坦な面とし、この平坦面に蛍光体を塗布すること
により、塗布厚を均一にし、蛍光体粒子の比重や粒径の
違いにより発生する偏析の状態を均一にすることによっ
て、発光の「むら」を解消することができる。
【0049】また、本発明によれば、半導体発光装置の
色純度を高めることができ、さらに、色純度の指向性も
向上させることができる。
【0050】さらに、本発明によれば、単一の蛍光体を
用いる場合にも、偏析状態を均一にすることにより、2
次光の強度むらを解消して均一な発光を得ることができ
るという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる半導体発光
装置の要部構成を表す概略断面図である。
【図2】図1の半導体発光装置に搭載されるLEDの構
成を例示する概略断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光
装置を表す概略断面図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態にかかる半導体発光
装置を表す概略断面図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態にかかる半導体発光
装置を表す概略断面図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態にかかる半導体発光
装置を表す概略断面図である。
【図7】本発明の第6の実施の形態にかかる半導体発光
装置を表す概略断面図である。
【図8】第6の実施形態において用いることができるL
EDを表す概略断面図である。
【図9】従来の半導体発光装置の概略構成を表す断面図
である。
【符号の説明】
11、60、101 LEDチップ 12、102 リードフレーム 13、111 赤色(R)蛍光体 14、112 緑色(G)蛍光体 15、113 青色(B)蛍光体 16、106 n側金ワイヤ 17、107 p側金ワイヤ 22 基板 25 樹脂 30 レンズ 62 遮光板 301 サファイア基板 302 n型GaNコンタクト層 303 n型AlGaNクラッド層 304 InGaN活性層 305 p型AlGaNクラッド層 306 p型GaNコンタクト層 307 p側電極 308 n側電極 701 GaN基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−107325(JP,A) 特開 平7−15046(JP,A) 特開 平11−40858(JP,A) 登録実用新案3048368(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】実装部材と、前記実装部材にマウントされ
    た発光素子と、前記発光素子から放出される1次光を吸
    収して前記1次光とは異なる波長を有する2次光を放出
    する蛍光体と、を備えた半導体発光装置であって、 前記実装部材は、前記蛍光体が塗布される主面に凹部を
    有し、 前記発光素子は、前記実装部材の前記凹部に埋め込まれ
    るようにマウントされ、 前記実装部材の前記主面と前記発光素子の上面とは、実
    質的に同一の平面内に設けられることにより実質的に平
    坦な塗布面を構成し、 前記蛍光体は、互いに比重が異なる2種類以上の蛍光体
    を含み、前記塗布面に一定の厚みを有するように塗布さ
    れていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 【請求項2】前記2種類以上の蛍光体は、それぞれの種
    類毎に層状に形成されて積層されていることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体発光装置。
  3. 【請求項3】前記蛍光体は、前記塗布面上に直接的に塗
    布されていることを特徴とする請求項1または請求項2
    記載の半導体発光装置。
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