半導体装置およびその製造方法
【課題】 封止部材の熱変形に伴う機能劣化がなく、信頼性の高い半導体装置とする。
【解決手段】 本発明は、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、半導体素子107は、支持基板103との間に空隙を有するように実装されており、封止部材102は、該空隙に繋がる開口部108を有することを特徴とする半導体装置である。また、半導体素子107は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が導電性部材106により支持基板103の導体配線104に接合されており、開口部108を形成する凹部は、導体配線104を正負一対の配線パターンに絶縁している。
【解決手段】 本発明は、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、半導体素子107は、支持基板103との間に空隙を有するように実装されており、封止部材102は、該空隙に繋がる開口部108を有することを特徴とする半導体装置である。また、半導体素子107は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が導電性部材106により支持基板103の導体配線104に接合されており、開口部108を形成する凹部は、導体配線104を正負一対の配線パターンに絶縁している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子が樹脂材料により封止されてなる半導体装置に関し、特に、半導体発光素子と、その半導体発光素子からの光によって励起されて蛍光を発する蛍光物質を含有する封止部材とを組み合わせた半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子を有する半導体装置は、半導体素子を外部環境から保護するため、半導体素子が樹脂材料からなる封止部材により被覆されている。さらに、その封止部材に蛍光体を含有させることにより、半導体発光素子からの光によって励起された蛍光を発する半導体発光装置とすることもできる。
【0003】
例えば、特開2000−208822号公報に開示される半導体発光装置は、サブマウント素子にフリップチップ実装された発光素子が蛍光物質含有の樹脂により封止されてなる。この発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、該電極がバンプと呼ばれる導電性部材を介してサブマウントの導電性パターンに対向され、荷重、振動および熱を加えることにより、サブマウントに接合されている。さらに蛍光物質含有の封止樹脂は、例えば、蛍光物質を含有する樹脂をスクリーン印刷法によって発光素子に塗布することによって形成される。その形成方法は、まず、サブマウントに発光素子をフリップチップ実装した後、メタルマスクをサブマウントの上に配置する。次に、メタルマスクから露出されている発光素子に対して蛍光体を含有する樹脂を塗布し、メタルマスクを取り外す。さらに、塗布された蛍光体含有樹脂を熱硬化させることにより、発光素子が蛍光体含有樹脂により封止された半導体発光装置とする。
【0004】
【特許文献1】特開2000−208822号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、バンプを介してフリップチップ実装された半導体素子と、サブマウントとの間には隙間が生じる。さらに、半導体素子と、サブマウントとの隙間に存在する気体は、半導体素子の発熱により膨張し、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続を妨げることがある。また、発光素子を封止する樹脂が気泡を有すると、その気泡の界面で発光素子からの光が反射あるいは屈折し、所望の光学特性を有する半導体発光装置とすることができない。さらに、蛍光体含有樹脂に気泡が存在すると、発光素子の周囲に蛍光体を均一に分散させることができず、半導体発光装置の出力光に色ズレや色ムラが発生し、発光観測方位によって均一な色度を有する発光装置とすることができない。
【0006】
一方、フリップチップ実装された半導体素子とサブマウントとの間にアンダーフィルと呼ばれる樹脂を充填し、その隙間を埋め、気泡の発生を抑制することがある。しかし、アンダーフィルとされた樹脂は、半導体素子の発熱により膨張する。そのため、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が妨げられる問題は、アンダーフィルの充填によっても生じることがある。
【0007】
そこで、本発明は、半導体素子を封止する材料の気泡に伴う問題を解決し、信頼性の高い半導体装置を量産性よく提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
以上の目的を達成するために本発明に係る半導体装置は、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、上記半導体素子は、上記支持基板との間に空隙を有するように実装されており、上記封止部材は、該空隙に繋がる開口部を有することを特徴とする半導体装置である。これにより、封止部材の変形に伴う半導体装置の品質低下を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0009】
また、上記支持基板は、上記半導体素子が接合されている主面側に凹部を有し、上記開口部は、該凹部と上記封止部材とからなることが好ましい。これにより、半導体素子と支持基板との空隙と、封止部材の外側の空間とが繋がった状態を維持することが容易にできる。
【0010】
また、上記半導体素子は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が第一の導電性部材により上記支持基板の導体配線に接合されており、上記凹部は、上記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁していることが好ましい。これにより、導体配線の絶縁部分にて開口部を形成することができ、半導体素子と支持基板との空隙と封止部材の外側とを空間的に繋げることが容易にできる。
【0011】
また、上記正負一対の配線パターンは、第二の導電性部材を介して外部の電極と接続する領域を有し、その領域の側に上記開口部を有することが好ましい。これにより、封止部材の機能に影響を与えない側に開口部を形成し、高品位な半導体装置とすることができる。
【0012】
また、上記封止部材は、上記半導体素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有することができる。これにより、蛍光物質が発した蛍光を有する光を放射する発光装置とすることができる。
【0013】
また、上記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されていることが好ましい。これにより、封止部材が外部環境の影響を受けることなく信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0014】
また、上記目的を達成するために本発明に係る半導体装置の製造方法は、導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法であって、上記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する第一の工程と、上記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を供給して該半導体素子を被覆しながら、その封止材料により上記空隙の一部を前記第二の外縁部の側に押出させ、上記第二の外縁部側の封止材料に開口部を形成させる第二の工程と、上記開口部により、上記空隙と前記封止材料の外側の空間とを繋げた後、上記封止材料を固化させる第三の工程と、を有することを特徴とする。これにより、封止部材の変形に伴う半導体装置の品質低下を防ぎ、信頼性の高い半導体装置を製造することが容易にできる。
【0015】
また、上記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させる第四の工程とを有することができる。これにより、封止部材の機能に悪影響を与えることなく、外部電極との電気的接続を図ることができる。
【0016】
また、上記半導体素子の第一の外縁部は、前記第二の外縁部に対して対角方向に位置することが好ましい。これにより、所定の方向に上記開口部を形成することが容易にできる。
【0017】
また、上記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有することが好ましい。これにより、所定の方向に上記開口部を形成することが容易にできる。
【0018】
なお、上述の半導体装置およびその製造方法において、上記第一の導電性部材は、バンプであることが好ましい。これにより、半導体素子と支持基板との間に、容易に隙間を生じさせることができる。また、上記第二の導電性部材は、導電性ワイヤであることが好ましい。これにより、半導体装置の外部との電気的接続を容易にとることができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明にかかる半導体装置は、封止部材の外側と、半導体素子と支持部材との間に生じた間隙が空間的に繋がるような開口部を有しており、上記間隙内の気圧と封止部材の外側の気圧とが等圧状態に維持される。これにより、半導体素子と支持部材との間に生じた間隙に存在する気体が膨張あるいは収縮しても、その気体は、上記空間と封止部材の外側の空間と間の移動が自由にできる。そのため、封止部材が変形したり、半導体素子と支持基板との間に入り込んだ封止部材の膨張によって、半導体素子と支持部材との接合が断たれたりする恐れがない。したがって、本願発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、高品質な封止部材を有する半導体装置とすることができ、さらに光学特性に優れた信頼性の高い発光装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置を例示するものであって、本発明は半導体装置を以下に限定するものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【0021】
一般に、半導体素子を有する半導体装置は、半導体素子を外部環境から保護するため、あるいは所望の光学特性を有する発光装置とするため、樹脂材料からなる封止部材により半導体素子が被覆されている。例えば、LEDチップが透光性樹脂により封止されてなる発光ダイオードは、その透光性樹脂中に蛍光物質を含有させることにより、半導体発光素子からの光によって励起された蛍光を発する発光ダイオードとすることもできる。
【0022】
また、サブマウント素子にフリップチップ実装された発光素子が蛍光物質含有の樹脂により封止される発光ダイオードもある。このように、発光素子をフリップチップ実装することにより、発光素子からの放熱性を向上させ、高出力発光可能な発光ダイオードとすることができる。このような発光装置において、発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、それらの電極のうち少なくとも一方がバンプと呼ばれる導電性部材を介してサブマウントの導電性パターンに対向され接合されている。さらに蛍光物質含有の封止樹脂は、例えば、蛍光物質を含有する樹脂をスクリーン印刷法によって発光素子に塗布することによって形成される。その形成方法は、まず、フリップチップ実装された発光素子をサブマウントに対し、メタルマスクをサブマウントの上に配置する。次に、メタルマスクから露出されている発光素子に対して蛍光体を含有する樹脂を塗布し、メタルマスクを取り外す。さらに、塗布された蛍光体含有樹脂を熱硬化させることにより、発光素子が蛍光体含有樹脂により封止された半導体発光装置とする。
【0023】
バンプを介して半導体素子をフリップチップ実装すると、半導体素子とサブマウントとの間にバンプの厚み分だけの隙間が生じる。この隙間は、封止部材にて半導体素子を被覆した後も残存することとなる。さらに、半導体素子とサブマウントとの隙間に存在する空気は、熱により膨張し、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が断たれることがある。また、半導体装置をエージングさせるときに、半導体素子とサブマウントとの間隙に残留している空気が膨張することにより、封止部材が破損する恐れがある。
【0024】
一方、フリップチップ実装された半導体素子とサブマウントとの間にアンダーフィルと呼ばれる樹脂を充填し、その隙間を埋めることもできる。しかし、アンダーフィルとされた樹脂も熱を受けて膨張する。そのため、アンダーフィルを充填しないときと同様に、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が断たれることがある。
【0025】
また、半導体素子を封止材料にて被覆する際、上記隙間に残存する空気が封止樹脂中に入り込み、気泡として残存することがある。これにより、その気泡の界面で発光素子からの光が反射あるいは屈折し、所望の光学特性を有する半導体発光装置とすることができない。さらに、蛍光物質を含む樹脂に気泡が存在すると、発光素子の周囲に蛍光物質を均一な量で分散させることができず、半導体発光装置の出力光に発光観測方位によって色ズレや色ムラが発生し、光学特性に優れた発光装置とすることができない。
【0026】
(半導体装置)
そこで、本発明者らは、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置において、種々の検討を行った結果、半導体素子を、支持基板との間に空隙を有するように実装させ、封止部材は該空隙に繋がる開口部を有する半導体装置とすることにより、上述の課題を解決するに至った。
【0027】
すなわち、本発明にかかる半導体装置は、封止部材の外側と、半導体素子と支持基板との間に生じた間隙が空間的に繋がるような開口部を有しており、上記間隙内の気圧と封止部材の外側の気圧とが等圧状態に維持されることとなる。なお、本明細書中において、「空間的に繋がる」とは、気体の移動が可能な程度の隙間が生じていることをいう。
【0028】
したがって、半導体素子と支持部材との間隙と、封止部材の外側の空間との間で、気体の移動が自由である。そのため、発光装置を長時間、高出力で使用しても、封止部材が変形したり、半導体素子と支持基板との間に入り込んだ封止部材の膨張によって、半導体素子と支持部材との接合が断たれたりする恐れがない。
【0029】
また、上記支持基板は、上記半導体素子が接合されている主面側に凹部あるいは溝を有し、上記開口部は、該凹部の内壁面と上記封止部材の外面とから形成されていることが好ましい。さらに、上記半導体素子は、正負一対の電極を有し、その電極の少なくとも一方が導電性部材により上記支持基板の導体配線に接合されており、上記凹部は、上記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁している部分であることが好ましい。これにより、導体配線の絶縁部分を開口部の形成に利用することができ、半導体素子と支持基板との空隙と封止部材の外側とを空間的に繋げることが容易にできる。また、封止材料中に含有される気泡が凹部を介して封止材料の外部に放出され易くなる。また、絶縁部分の延伸方向を所定の方向とすることで、開口部を所望の位置に形成することができると考えられる。例えば、本形態にかかる発光装置と、該発光装置からの出光を光学制御する反射鏡(リフレクタ)とを組み合わせる。このとき、発光素子の側面のうち、リフレクタに対向している側面方向以外から出射する光は、実質的に発光装置の光学特性に影響を及ぼさない。また、上記正負一対の配線パターンは、導電性ワイヤなどの導電性部材を介して外部の電極と接続する領域をリフレクタと反対側に有し、その領域の側に上記開口部を有することができる。したがって、リリフレクタに対向している側面方向以外に開口部が位置するような封止部材とすることにより、発光装置の光学特性に悪影響を及ぼすことなく、信頼性の高い発光装置とすることができる。さらに、上記凹部を形成することにより、半導体素子と支持基板との空隙と、封止部材の外側の空間とが繋がった状態を確実に維持することができる。すなわち、半導体装置の長時間の使用により、封止部材が多少変形したとしても、上記凹部により開口部の形状およびその機能は十分に維持することができる。
【0030】
また、上記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されていることが好ましい。すなわち、凹部を有する透光性部材の該凹部の内壁面を、支持基板に載置された半導体素子および該半導体素子を被覆する封止部材に対向させる。さらに、透光性部材の凹部の側壁端部を支持基板に固着させることにより、半導体素子および封止部材を密封する。これにより、凹部内壁面と支持基板の半導体素子実装面とで形成される中空の部分の内圧および半導体素子と支持基板との間隙の気圧は、封止部材の開口部によって一定とすることができる。したがって、封止部材の変形に伴う光学特性の劣化が生じることなく、信頼性の高い発光装置とすることができる。
【0031】
(半導体装置の製造方法)
上記目的を達成するために本発明に係る半導体装置の製造方法は、導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法である。特に、少なくとも以下の工程を有することにより、上述したような課題を解決するに至った。
【0032】
(1)まず、上記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する。ここで、半導体素子の電極は、同一面側に正負一対の電極を有するものに限定されない。半導体素子の主面と裏面側で極性が異なる電極を有する半導体素子とすることもできる。第一の導電性部材は、AuAg、Alなどの金属を材料とするバンプ、Au−Snなどの半田バンプなどとされ、半導体素子と支持基板との間に間隙が形成されるように、半導体素子の電極あるいは支持基板の導体配線に対してドット状に複数個が配置される。また、本形態におけるバンプは、バンプボンダーにより、ボール状とされた金属細線の先端部を半導体素子の電極あるいは支持基板の導体配線に対して溶着させることにより形成される他、蒸着、鍍金などの方法により形成させることもできる。
【0033】
なお、本明細書中では、半導体素子と導体配線との接続方法について、荷重、熱および超音波によりバンプを溶着させる方法を例示するが、接続方法はこれに限定されることはない。すなわち、半導体素子と支持基板との間に空隙を形成することができる種々の方法、例えば、スタットバンプボンディング法(SBB法)や異方導電シート/接着剤を用いるACF法を適用できることは言うまでもない。
【0034】
(2)次に、上記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を連続して供給することにより該半導体素子を被覆しながら、封止材料により上記空隙の一部を第二の外縁部の側に押出させ、その空隙の一部により開口部を形成させる。すなわち、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を連続して供給すると、空隙の一部(特に、半導体素子の外縁近傍に存在する空隙)に供給された封止材料の体積分だけ、第二の外縁部の側に空気が押出され、開口部が形成される。
【0035】
ここで、第一の外縁部とは、半導体素子が矩形であるとき、隣接する二辺によって形成された半導体素子の角の部分であり、第二の外縁部とは、同じく隣接する二辺によって形成された半導体素子の角の部分、かつ第一の外縁部から最も離れている部分である。また、本発明者らの実験によれば、半導体素子の第一の外縁部は、第二の外縁部に対して対角方向に位置することが好ましい。さらに、上記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有することが好ましい。これにより、第二の外縁部の側に開口部を形成することが容易にできる。
【0036】
封止材料は、封止部材と形成するための材料であり、半導体素子に対して、スクリーン印刷や孔版印刷などの方法により第一の外縁部から第二の外縁部の方向に徐々に配置され、半導体素子を被覆する。本形態において、半導体素子は、まず、側面方向を比較的粘度の高い封止材料で被覆され、次に、主面方向を粘性の低い材料で被覆されることが好ましい。これにより、主面方向の封止材料の表面は容易に平滑化され、側面方向では樹脂ダレを生じさせることなく、所望の厚みの封止部材により半導体素子を被覆させることができる。
【0037】
(3)さらに、上記第二の外縁部を形成する二辺のうちの一辺の側(例えば、図2に示される矢印の位置)に形成される開口部により、上記空隙と上記封止材料の外側の空間とを繋げた後、上記封止材料を固化させる。なお、封止材料は、形成された開口部の形状が固化されるまで保持できるような所定の粘度に調整される。
【0038】
また、上記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させることができる。これにより、封止部材の機能に悪影響を与えることなく、半導体素子が外部電極との電気的接続を図ることができる。例えば、上記第二の外縁部側に、導電性ワイヤのような金属細線をワイヤーボンディングさせることができる。さらに、第一の外縁部側に反射鏡を配置させ、発光素子からの光を所定の方向に反射させる発光装置とする。つまり、発光素子から出射する光のうち、出射される光が反射鏡で集光される封止部材の光出射面側には、開口部が形成されていないようにする。これにより、発光素子からの光射する光を開口部の形状により影響を受けることなく反射鏡に集光させることができ、開口部が発光装置の光学特性に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【0039】
なお、本発明の別の実施態様によれば、別工程で成型された枠体を半導体素子の周囲に配置して封止部材に代えることもでき、封止部材の一部とすることもできる。このような枠体の開口部は、半導体素子の外形が収まる方向、すなわち半導体素子の側面方向に貫通するように形成される。あるいは、開口部とする箇所に所定の間隔が空くように分断された枠体とすることもできる。
【0040】
枠体は、半導体素子の側面方向を包囲するように、半導体素子が実装された支持基板に固定される。さらに、半導体素子の主面(例えば、半導体素子の半導体成長用基板面)側に透光性樹脂を配置させて、封止部材とすることもできる。以下、本形態の各構成について詳述する。
【0041】
[半導体素子]
本発明における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子、あるいはそれらを組み合わせたものとすることができる。ここでは特に、発光素子として、LEDチップについて説明する。LEDチップを構成する半導体発光素子としては、ZnSeやGaNなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を使用する場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【0042】
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にMOCVD法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にGaN、AlN、GaAlN等のバッファ層を形成し、その上にpn接合を有する窒化物半導体を形成させる。
【0043】
窒化物半導体を使用したpn接合を有する発光素子の例として、バッファ層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
【0044】
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。
【0045】
p型半導体層には、発光素子に投入された電流をp型半導体層の全面に広げるための拡散電極が設けられる。さらに、拡散電極およびn型半導体層には、本形態における導電性部材であるバンプや導電性ワイヤのような導電部材と接続するp側台座電極およびn側台座電極がそれぞれ設けられる。
【0046】
本形態において、発光素子は、p型半導体側の正電極およびn型半導体側の負電極を有し、発光観測面方向から見て、負電極が正電極の間にあるようにそれぞれの電極が交互に配されている。これにより、本発明にかかる導体配線を有する支持基板に対して安定にフリップチップ実装できるだけでなく、電極間を流れる電流が均一になることにより発光素子の発光面からの発光が均一になるため好ましい。また、上記n型半導体は、発光観測面方向から見て、導電性部材が載置され互いに対向する隅部と、該隅部から半導体素子の内側方向に向かって細くなる括れ部と、互いに対向する括れ部同士を結ぶ延伸部とを有するように半導体層から露出される。これにより、発光素子の発光に寄与しないn側半導体の領域を減らし、p側半導体の領域を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。以下、本形態における発光素子について詳細に説明する。
【0047】
図7は、本形態における半導体発光素子を電極が形成されている側から見た上面図である。図7に示されるように、p側およびn側台座電極の形状は、ドット状に配置されるバンプの配置パターンに対応させて楕円形状に保護膜から露出される。
【0048】
拡散電極あるいはp側台座電極、およびn側台座電極の形成は、エッチング等の方法によりn型半導体を露出させた後、蒸着法やスパッタリング法により行う。ここで、n型半導体が互いに平行なストライプ状に露出されるように形成し、拡散電極や台座電極を発光素子に形成する。これにより、本発明にかかる導体配線を有する支持基板に対して安定に実装でき、また、電極間を流れる電流が均一になることにより発光素子の発光面からの発光が均一になるため好ましい。
【0049】
図7に示されるように、電極が形成されている側から見て、露出されたn型半導体の領域は、矩形の発光素子の対向する二辺に隅部を有する。その隅部には、n側台座電極110が保護膜から露出される。さらに、n側台座電極は、上記隅部の領域から発光素子の内側方向に向かって徐々に幅が細くなっている括れ部112を有する。さらに、発光素子は、一方の括れ部112から、他方の括れ部112まで直線状に延びる延伸部111を有している。なお、括れ部112および延伸部111は、保護膜に被覆されている。
【0050】
また、電極が形成されている側から見て、p側の拡散電極の幅は、発光素子中央部分において露出されたn型半導体領域の幅より広い。また、n型半導体は、p側拡散電極およびp型半導体の間に露出され、その露出されたn型半導体(主に延伸部111)およびp側台座電極109が交互に配されている。このように、本形態にかかる発光素子は、括れ部分および延伸部を有することによりp側拡散電極の領域面積を大きくすることができ、発光素子に投入される電流を均一に拡散させ、その電流量を増大させることができる。したがって、本形態にかかる発光素子は、発光素子からの放熱性を向上させ、従来と比較して高輝度な発光装置を構成することができる。さらに、発光素子の発光に寄与しないn型半導体の露出領域を減らし、p型半導体の領域およびp側拡散電極の領域を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【0051】
本形態において、p側およびn側台座電極の材料は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。すなわち、バンプがAuを材料とするときは、p側およびn側台座電極の材料、特にバンプとの接合面となる最上層の材料は、AuまたはAuを含む合金とする。例えば、p側およびn側台座電極は、Rh/Pt/AuおよびW/Pt/Auとされ、それぞれの金属の厚みは数百Å〜数千Åである。なお、本明細書中において、記号「A/B」は、金属Aおよび金属Bが順にスパッタリングあるいは蒸着のような方法により積層されることを示す。
【0052】
また、p型半導体層側全面に形成される拡散電極は、発光素子の出光を発光素子の透光性基板方向へ反射させる材料とすることが好ましい。例えば、Ag、Al、Rh、Rh/Irが挙げられる。その他、p型半導体層の全面にITO(インジウム(In)とスズ(Sn)の複合酸化物)、ZnOのような酸化物導電膜や、Ni/Au等の金属薄膜を透光性の拡散電極として形成させることができる。
【0053】
基板にサファイア等の透光性の絶縁性基板を用いた場合、正負両電極形成後、半導体ウエハから所望の大きさ、形状のチップ状にカットすることで、同一面側に正負両電極が設けられた窒化物半導体チップが得られ、発光素子を形成することができる。
【0054】
[支持基板]
本形態における支持基板とは、少なくとも半導体素子の電極に対向する面に導体配線が施され、フリップチップ実装された半導体素子を固定・支持するための部材である。さらに、支持基板を実装基板のリード電極に導通させるときには、半導体素子に対向する面からリード電極に対向する面にかけて導体配線が施される。
【0055】
導体配線の材料とする金属は、Auや銀白色の金属、特に、反射率の高いAlなどとされる。反射率の高い銀白色の金属とすることにより、発光素子からの光が支持基板と反対側の方向に反射され、発光装置の光取り出し効率が向上するため好ましい。ここで、導体配線の材料とする金属は、金属相互間の接着性の良さ、いわゆる濡れ性等を考慮して選択されることが好ましい。例えば、Auバンプを介して、Auを含むLEDチップの電極とを超音波ダイボンドにより接合するとき、導体配線は、AuまたはAuを含む合金とする。導体配線は、所定のパターンを有するマスクを用いた蒸着あるいはスパッタ、あるいは鍍金などの方法により形成される。
【0056】
支持基板の材料は、SiC、GaAs、BN、C(ダイヤモンド)などが使用される。さらに、発光素子と熱膨張係数がほぼ等しいもの、例えば窒化物半導体発光素子に対して窒化アルミニウム(AlN)が好ましい。このような材料を使用することにより、支持基板と発光素子との間に発生する熱応力の影響を緩和することができる。あるいは、支持基板の材料は、静電保護素子の機能を備えさせることもでき安価でもあるSi(シリコン)が好ましい。
【0057】
保護素子の機能を備えるサブマウントの一例として、例えば、Siダイオード素子のn型シリコン基板内に選択的に不純物イオンの注入を行うことによりp型半導体領域を形成し、逆方向ブレークダウン電圧が所定の電圧に設定する。
【0058】
保護素子の機能を備えるサブマウントの他の一例として、Siダイオード素子であり、複数のn型半導体領域およびp型半導体領域が一方の主面方向に形成されているサブマウントが挙げられる。さらに、銀白色の金属を材料(例えば、Al、Ag)とする反射膜が上記p型およびn型の半導体領域に電気的に接続するように形成される。また、反射膜の一部の領域は、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされることにより、電極とすることができる。その電極は、バンプが載置され、あるいは発光素子の電極と直接接合することができる。また、p型半導体領域および反射膜が形成されていないn型半導体領域の一部は、例えば、SiO2のような絶縁膜により被覆されている。また、サブマウントは、裏面に、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされた電極を有することができる。
【0059】
半導体発光素子は、上記保護素子の機能を備えるサブマウントに対してフリップチップ実装される。すなわち、サブマウントのn型半導体領域の電極にAuバンプを載置した後、半導体発光素子のp側台座電極およびn側台座電極が、Auバンプを介して対向される。次に、超音波、熱および荷重を加えることにより、半導体発光素子とサブマウント部材とが電気的および機械的に接続される。サブマウント部材のSiダイオード素子と半導体発光素子の回路構成は、2つのダイオードの直列接続による双方向ダイオードと、半導体発光素子との並列接続となる。これにより、半導体発光素子は、順方向・逆方向の過電圧から保護され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0060】
さらに、支持基板に対し、発光素子の実装に悪影響を与えない箇所に、孔や凹凸形状を設ける。このような形状を設けることにより、半導体素子と支持基板との間に生じた間隙と、封止部材の外郭面の外側へ連絡する空隙を有する半導体装置とすることができる。
【0061】
また、支持基板の厚さ方向に少なくとも一つ以上の貫通孔を設け、貫通孔の内壁面に導体配線が延材するように形成すると、放熱性がさらに向上するため好ましい。なお、本形態における支持基板の導体配線は、導電性ワイヤーを介して実装基板のリード電極と接続されるが、一方の主面から他方の主面に施された導体配線と外部のリード電極とを接合部材により接続する構成としても構わない。
【0062】
支持基板に設けた導体配線と半導体素子の電極との接続は、第一の導電性部材として利用可能な接合部材、例えばAu、共晶材(Au−Sn、Ag−Sn)、ハンダ(Pb−Sn)、鉛フリーハンダなどによって超音波接合を行う。また、導体配線と実装基板のリード電極とを直接接続する構成とするとき、支持基板の裏面に設けた導電性パターンとリード電極との接続は、例えばAuペースト、Agペーストなどの導電性接着剤によって行うことが好ましい。
【0063】
[封止部材]
本形態において、封止部材とは、被覆する半導体素子を外部環境からの外力、塵芥や水分などから保護するためのものである。特に、本形態における封止部材は、半導体素子と支持基板との間に生じた空隙と、封止部材の外側の空間とを繋ぐための開口部を有する。開口部の大きさ(内径)は、実装された半導体素子と支持基板との間隔と同程度であり、空気の移動が可能な程度である。また、封止部材は、半導体発光素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有することもできる。
【0064】
封止部材は、形状を種々変化させることによって発光素子から放出される光の指向特性を種々選択することができる。即ち、封止部材の形状を凸レンズ形状、凹レンズ形状とすることによってレンズ効果をもたすことができる。そのため、所望に応じて、ドーム型、発光観測面側から見て楕円状、立方体、三角柱など種々の形状を選択することができる。
【0065】
具体的封止部材としては、耐光性、透光性に優れたエポキシ樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂、シリコーン樹脂などの有機物質や硝子など無機物質を選択することができる。また、封止部材に発光素子からの光を拡散させる目的で酸化アルミニウム、酸化バリウム、チタン酸バリウム、酸化珪素などを含有させることもできる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たすために各種着色剤を添加させることもできる。さらに、発光素子からの発光波長によって励起され蛍光を発する蛍光物質を含有させる。また、封止樹脂の内部応力を緩和させる各種フィラーを含有させることもできる。
【0066】
[蛍光体]
本発明において、半導体素子を発光素子とするとき、半導体発光素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を配置することができる。例えば、(1)半導体発光素子の半導体素子構造や保護膜、(2)発光素子あるいはサブマウントを被覆する封止部材、(3)発光素子がフリップチップ実装されたサブマウントを支持体に固着させるダイボンド材、(4)サブマウントおよびパッケージのような支持基体など、各構成部材中および/または各構成部材の周辺に無機蛍光体や有機蛍光体のような種々の蛍光物質を配置または含有させることができる。特に、封止部材と組み合わされる蛍光物質は、封止部材の発光観測面側表面を被覆するようにシート状に設けられる他、封止部材の発光観測面側表面および発光素子から離間させた位置に、蛍光体を含む層、シート、キャップあるいはフィルターとして封止部材の内部に設けることもできる。また、フリップチップ実装された発光素子を被覆するように形成される波長変換部材は、蛍光体を含む結着材を材料として、メタルマスクやスクリーン版によるスクリーン印刷や孔版印刷により形成されることが好ましい。このように形成することにより、発光素子の周囲に均一な膜厚を有する波長変換部材を形成することが容易にできる。
【0067】
本願発明に利用可能な蛍光体は、発光素子から放出される可視光や紫外光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光するものである。特に、本形態に用いられる蛍光体は、少なくとも発光素子から発光された光によって励起され、波長変換した光を発光する蛍光体をいい、該蛍光体を固着させる結着剤とともに波長変換部材を構成する。結着剤としては、例えば、エポキシ樹脂のような透光性樹脂や、耐光性の高いシリコーン樹脂や金属アルコキシドを出発原料としてゾルゲル法により生成される透光性無機材料とすることもできる。
【0068】
本明細書中における蛍光体の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光体の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温25℃、湿度70%の環境下において、濃度が0.05%であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光体を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置(SALD−2000A)により、粒径範囲0.03μm〜700μmにて測定し得られたものである。
【0069】
本実施の形態において使用される蛍光体は、YAG系蛍光体に代表されるアルミニウム酸化物系蛍光体と、赤色系の光を発光可能な蛍光体、特に窒化物系蛍光体とを組み合わせたものを使用することもできる。これらのYAG系蛍光体および窒化物系蛍光体は、混合して波長変換部材中に含有させてもよいし、複数の層から構成される波長変換部材中に別々に含有させてもよい。以下、それぞれの蛍光体について詳細に説明していく。
【0070】
(アルミニウム酸化物系蛍光体)
本実施の形態に用いられるアルミニウム酸化物系蛍光体とは、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された蛍光体であり、LEDチップから発光された可視光や紫外線で励起されて発光する蛍光体である。
【0071】
例えば、YAlO3:Ce、Y3Al5O12:Ce、Y4Al2O9:Ce、(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce、Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce、Tb2.95Ce0.05Al5O12、Y2.90Ce0.05Tb0.05Al5O12、Y2.94Ce0.05Pr0.01Al5O12、Y2.90Ce0.05Pr0.05Al5O12等が挙げられる。さらに、本実施の形態において、特にYを含み、かつCeあるいはPrで付活され組成の異なる二種類以上のアルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(以下、「YAG系蛍光体」と呼ぶ。)が利用される。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては(Re1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y,Gd,Laからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。)などが好ましい。
【0072】
YAG系蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが470nm付近などにさせることができる。また、発光ピークも530nm付近にあり720nmまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たせることができる。
【0073】
本実施の形態に用いられるセリウムで付活された緑色系が発光可能なYAG系蛍光体では、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近にさせることができる。また、発光ピーク波長λpも510nm付近にあり700nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。一方、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体である赤色系が発光可能なYAG系蛍光体でも、ガーネット構造であり熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近にさせることができる。また、発光ピーク波長λpが600nm付近にあり750nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。
【0074】
ガーネット構造を持ったYAG系蛍光体の組成の内、Alの一部をGaで置換することで発光スペクトルが短波長側にシフトし、また組成のYの一部をGd及び/又はLaで置換することで、発光スペクトルが長波長側へシフトする。このように組成を変化することで発光色を連続的に調節することが可能である。したがって、長波長側の強度がGdの組成比で連続的に変えられるなど窒化物半導体の青色系発光を利用して白色系発光に変換するための理想条件を備えている。Yの置換が2割未満では、緑色成分が大きく赤色成分が少なくなり、8割以上では、赤み成分が増えるものの輝度が急激に低下する。また、励起吸収スペクトルについても同様に、ガーネット構造を持ったYAG系蛍光体の組成の内、Alの一部をGaで置換することで励起吸収スペクトルが短波長側にシフトし、また組成のYの一部をGd及び/又はLaで置換することで、励起吸収スペクトルが長波長側へシフトする。YAG系蛍光体の励起吸収スペクトルのピーク波長は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長より短波長側にあることが好ましい。このように構成すると、発光素子に投入する電流を増加させた場合、励起吸収スペクトルのピーク波長は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長にほぼ一致するため、蛍光体の励起効率を低下させることなく、色度ズレの発生を抑えた発光装置を形成することができる。
【0075】
アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、以下のような方法で製造することができる。まず、蛍光体は、Y、Gd、Ce、La、Al、Sm、Pr、Tb及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、La、Sm、Pr、Tbの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中1350〜1450°Cの温度範囲で2〜5時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。また、別の実施の形態の蛍光体の製造方法では、蛍光体の原料を混合した混合原料とフラックスからなる混合物を、大気中又は弱還元雰囲気中にて行う第一焼成工程と、還元雰囲気中にて行う第二焼成工程とからなる、二段階で焼成することが好ましい。ここで、弱還元雰囲気とは、混合原料から所望の蛍光体を形成する反応過程において必要な酸素量は少なくとも含むように設定された弱い還元雰囲気のことをいい、この弱還元雰囲気中において所望とする蛍光体の構造形成が完了するまで第一焼成工程を行うことにより、蛍光体の黒変を防止し、かつ光の吸収効率の低下を防止できる。また、第二焼成工程における還元雰囲気とは、弱還元雰囲気より強い還元雰囲気をいう。このように二段階で焼成すると、励起波長の吸収効率の高い蛍光体が得られる。従って、このように形成された蛍光体にて発光装置を形成した場合に、所望とする色調を得るために必要な蛍光体量を減らすことができ、光取り出し効率の高い発光装置を形成することができる。
【0076】
(ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体)
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、一般式(Lu1−a−bRaMb)3(Al1−cGac)5O12(但し、RはCeを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素である。MはSc、Y、La、Gdから選択される少なくとも1種の元素であり、0.0001≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0.0001≦a+b<1、0≦c≦0.8である。)で表される蛍光体である。例えば、組成式が(Lu0.99Ce0.01)3Al5O12、(Lu0.90Ce0.10)3Al5O12、(Lu0.99Ce0.01)3(Al0.5Ga0.5)5O12で表される蛍光体である。
【0077】
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(以下、「LAG系蛍光体」と呼ぶことがある。)は、次のようにして得られる。蛍光体原料として、ルテチウム化合物、希土類元素Rの化合物、希土類元素Mの化合物、アルミニウム化合物及びガリウム化合物を用い、各化合物について上記一般式の割合になるように秤取し、混合するか、又はこれら蛍光体原料にフラックスを加えて混合し、原料混合物を得る。この原料混合物をルツボに充填後、還元性雰囲気中、1200〜1600℃で焼成し、冷却後、分散処理することにより、上記一般式で表される本発明の蛍光体を得る。
【0078】
蛍光体原料として、酸化物又は熱分解により酸化物となる炭酸塩、水酸化物等の化合物が好ましく用いられる。また、蛍光体原料として、蛍光体を構成する各金属元素を全部又は一部含む共沈物を用いることもできる。例えば、これらの元素を含む水溶液にアルカリ、炭酸塩等の水溶液を加えると共沈物が得られるが、これを乾燥又は熱分解して用いることができる。また、フラックスとしてはフッ化物、ホウ酸塩等が好ましく、蛍光体原料100重量部に対し0.01〜1.0重量部の範囲で添加する。焼成雰囲気は、付活剤のセリウムが酸化されない還元性雰囲気が好ましい。水素濃度が3.0体積%以下の水素・窒素の混合ガス雰囲気がより好ましい。焼成温度は1200〜1600℃が好ましく、目的の中心粒径の蛍光体を得ることができる。より好ましくは1300〜1500℃である。
【0079】
上記一般式において、Rは付活剤であり、Ceを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素であって、具体的には、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lrである。RはCeのみでもよいが、CeとCe以外の希土類元素から選ばれる少なくとも1種以上の元素とを含んでいてもよい。Ce以外の希土類元素は、共付活剤として作用するためである。ここで、Rには、CeがR全量に対し70mol%以上含有されていることが好ましい。a値(R量)は、0.0001≦a≦0.5が好ましく、0.0001未満では発光輝度が低下し、0.5を越えても濃度消光によって発光輝度が低下する。より好ましくは、0.001≦a≦0.4、さらに好ましくは、0.005≦a≦0.2である。b値(M量)は、0≦b≦0.5が好ましく、より好ましくは0≦b≦0.4であり、さらに好ましくは0≦b≦0.3である。例えば、MがYの場合、b値が0.5を越えると長波長紫外線〜短波長可視光、特に360〜410nm励起による発光輝度が非常に低下してしまう。c値(Ga量)は、0≦c≦0.8が好ましく、より好ましくは0≦c≦0.5であり、さらに好ましくは0≦c≦0.3である。c値が0.8を越えると発光波長は短波長にシフトし、発光輝度が低下する。
【0080】
LAG系蛍光体の中心粒径は1〜100μmの範囲が好ましく、より好ましくは5〜50μmの範囲であり、さらに好ましくは5〜15μmの範囲である。1μmより小さい蛍光体は、凝集体を形成しやすい傾向にある。これに対し、5〜50μmの粒径範囲の蛍光体は、光の吸収率及び変換効率が高く、光変換部材も形成しやすい。このように、光学的に優れた特徴を有する粒径の大きな蛍光体を含有させることにより、発光装置の量産性も向上する。また、上記中心粒径値を有する蛍光体が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は20%〜50%が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され良好な色調を有する発光装置が得られる。
【0081】
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は300nm〜550nmの波長域の紫外線又は可視光により効率よく励起され発光することから、光変換部材に含有される蛍光体として有効に利用することができる。さらに、組成式の異なる複数種のLAG系蛍光体、又はLAG系蛍光体を他の蛍光体とともに用いることにより、発光装置の発光色を種々変化させることができる。半導体発光素子からの青色系の発光と、該発光を吸収し黄色系の発光する蛍光体からの発光との混色により、白色系の混色光を発光する従来の発光装置は、発光素子からの光の一部を透過させて利用するため、構造自体を簡略化できると共に出力向上を行いやすいという利点がある。その一方、上記発光装置は、2色の混色による発光であるため、演色性が十分でなく、改良が求められている。そこで、LAG系蛍光体を利用して白色系の混色光を発する発光装置は、従来の発光装置と比較してその演色性を向上させることができる。また、LAG系蛍光体は、YAG系蛍光体と比較して温度特性に優れるため、劣化、色ずれの少ない発光装置を得ることができる。
【0082】
(窒化物系蛍光体)
本発明で使用される蛍光体は、Nを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnから選択された少なくとも一つの元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、及びHfから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物系蛍光体も利用することができる。窒化物系蛍光体は、赤色系の光を発光可能な蛍光体であり、可視光、紫外線等又は他の蛍光体(例えば、YAG系蛍光体)からの発光を吸収することによって励起され発光する。つまり、この窒化物系蛍光体は、発光素子によって発光された光(例えば、青色光)の一部を吸収して、黄から赤色領域の光を発光する。窒化物系蛍光体を励起する発光スペクトルは、360〜495nmであることが好ましい。さらに、440〜480nm近傍の発光スペクトルを有することが好ましい。窒化物系蛍光体の発光スペクトルは、560〜700nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。さらに、600〜680nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。例えば、Sr2Si5N8:Eu,Pr、Ba2Si5N8:Eu,Pr、Mg2Si5N8:Eu,Pr、Zn2Si5N8:Eu,Pr、SrSi7N10:Eu,Pr、BaSi7N10:Eu,Ce、MgSi7N10:Eu,Ce、ZnSi7N10:Eu,Ce、Sr2Ge5N8:Eu,Ce、Ba2Ge5N8:Eu,Pr、Mg2Ge5N8:Eu,Pr、Zn2Ge5N8:Eu,Pr、SrGe7N10:Eu,Ce、BaGe7N10:Eu,Pr、MgGe7N10:Eu,Pr、ZnGe7N10:Eu,Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb、BaGe7N10:Ceなどが挙げられるがこれに限定されない。
【0083】
特に本蛍光体は、Mnが添加された窒化物系蛍光体であることが好ましい。添加物であるMnは、Eu2+の拡散を促進し、発光輝度、エネルギー効率、量子効率等の発光効率の向上を図る。この蛍光体の基本構成元素は、一般式LXSiYN(2/3X+4/3Y):Eu若しくはLXSiYOZN(2/3X+4/3Y−2/3Z):Eu(Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれか。)で表される。一般式中、X及びYは、X=2、Y=5又は、X=1、Y=7であることが好ましいが、任意のものも使用できる。具体的には、基本構成元素は、Mnが添加された(SrXCa1−X)2Si5N8:Eu、Sr2Si5N8:Eu、Ca2Si5N8:Eu、SrXCa1−XSi7N10:Eu、SrSi7N10:Eu、CaSi7N10:Euで表される蛍光体を使用することが好ましいが、この蛍光体の組成中には、Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種以上が含有されていてもよい。Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれかである。SrとCaは、所望により配合比を変えることができる。蛍光体の組成にSiを用いることにより安価で結晶性の良好な蛍光体を提供することができる。
【0084】
次に、本発明に係る蛍光体((SrXCa1−X)2Si5N8:Eu)の製造方法を説明するが、本製造方法に限定されない。
【0085】
まず、原料のSr、Caを粉砕し、窒素雰囲気中で窒化する。同様に、原料のSiを、窒素雰囲気中で窒化して、窒化ケイ素を得る。次に、Sr、Ca若しくはSr−Caの窒化物を粉砕する。Sr、Ca、Sr−Caの窒化物を、アルゴン雰囲気中、若しくは、窒素雰囲気中、グローブボックス内で粉砕を行う。同様に、原料のSiを粉砕し窒化したSiの窒化物、Euの化合物Eu2O3を粉砕する。上記原料中には、Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、O及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種以上が含有されていてもよい。また、Mg、Zn、B等の上記元素を以下の混合工程において、配合量を調節して混合することもできる。最後に、Mnが添加されたSr、Ca、Sr−Caの窒化物、Siの窒化物、Euの化合物Eu2O3の混合物をアンモニア雰囲気中で、焼成する。焼成により、Mnが添加された(SrXCa1−X)2Si5N8:Euで表される蛍光体を得ることができる。
【0086】
焼成は、管状炉、小型炉、高周波炉、メタル炉などを使用することができる。焼成温度は、1200から1700℃の範囲で焼成を行うことができるが、1400から1700℃の焼成温度が好ましい。焼成は、徐々に昇温を行い1200から1500℃で数時間焼成を行う一段階焼成を使用することが好ましいが、800から1000℃で一段階目の焼成を行い、徐々に加熱して1200から1500℃で二段階目の焼成を行う二段階焼成(多段階焼成)を使用することもできる。
【0087】
(アルカリ土類金属珪酸塩)
本実施の形態における発光装置は、発光素子が発光した光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光する蛍光体として、ユウロピウムで付活されたアルカリ土類金属珪酸塩を有することもできる。アルカリ土類金属珪酸塩は、青色領域の光を励起光とし、暖色系の混色光を発光する発光装置とすることができる。該アルカリ土類金属珪酸塩は、以下のような一般式で表されるアルカリ土類金属オルト珪酸塩が好ましい。
(2−x−y)SrO・x(Ba,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
(2−x−y)BaO・x(Sr,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0.01<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
ここで、好ましくは、a、b、cおよびdの値のうち、少なくとも一つが0.01より大きい。
【0088】
本実施の形態における発光装置は、アルカリ土類金属塩からなる蛍光体として、上述したアルカリ土類金属珪酸塩の他、ユウロピウムおよび/またはマンガンで付活されたアルカリ土類金属アルミン酸塩やY(V,P,Si)O4:Eu、または次式で示されるアルカリ土類金属−マグネシウム−二珪酸塩を有することもできる。
【0089】
Me(3−x−y)MgSi2O3:xEu,yMn(式中、0.005<x<0.5、0.005<y<0.5、Meは、Baおよび/またはSrおよび/またはCaを示す。)
次に、本実施の形態におけるアルカリ土類金属珪酸塩からなる蛍光体の製造工程を説明する。
【0090】
アルカリ土類金属珪酸塩の製造のために、選択した組成に応じて出発物質アルカリ土類金属炭酸塩、二酸化珪素ならびに酸化ユウロピウムの化学量論的量を密に混合し、かつ、蛍光体の製造に常用の固体反応で、還元性雰囲気のもと、温度1100℃および1400℃で所望の蛍光体に変換する。この際、0.2モル未満の塩化アンモニウムまたは他のハロゲン化物を添加することが好ましい。また、必要に応じて珪素の一部をゲルマニウム、ホウ素、アルミニウム、リンで置換することもできるし、ユウロピウムの一部をマンガンで置換することもできる。
【0091】
上述したような蛍光体、即ち、ユウロピウムおよび/またはマンガンで付活されたアルカリ土類金属アルミン酸塩やY(V,P,Si)O4:Eu、Y2O2S:Eu3+の一つまたはこれらの蛍光体を組み合わせることによって、所望の色温度を有する発光色および高い色再現性を得ることができる。
【0092】
(その他の蛍光体)
本実施の形態において、蛍光体として紫外から可視領域の光により励起されて発光する蛍光体も用いることができ、具体例として、以下の蛍光体が挙げられる。
(1)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体;例えば、M5(PO4)3(Cl、Br):Eu(但し、MはSr、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種)、Ca10(PO4)6ClBr:Mn,Euなどの蛍光体。
(2)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体;例えば、BaMg2Al16O27:Eu、BaMg2Al16O27:Eu,Mn、Sr4Al14O25:Eu、SrAl2O4:Eu、CaAl2O4:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Mnなどの蛍光体。
(3)Euで付活された希土類酸硫化物蛍光体;例えば、La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Euなどの蛍光体。
(4)(Zn、Cd)S:Cu、Zn2GeO4:Mn、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、(Mg、Ca、Sr、Ba)Ga2S4:Eu、Ca10(PO4)6FCl:Sb,Mn、や(5)Euで付活された有機錯体蛍光体。
【0093】
また、これらの蛍光体は、一層からなる波長変換部材中に単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。さらに、二層以上が積層されてなる波長変換部材中にそれぞれ単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。
【0094】
[拡散剤]
更に、本発明において、封止部材中に蛍光物質に加えて拡散剤を含有させても良い。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素およびそれらの混合物が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。
【0095】
ここで本明細書において拡散剤とは、中心粒径が1nm以上5μm未満のものをいう。1μm以上5μm未満の拡散剤は、蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることにより生じやすい色ムラを抑制することができ好ましい。一方、1nm以上1μm未満の拡散剤は、発光素子からの光波長に対する干渉効果が低い反面、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。これにより、蛍光物質含有の樹脂などを所望の場所に滴下することにより波長変換部材を形成させる場合、シリンジ内において樹脂中の蛍光物質をほぼ均一に分散させその状態を維持することが可能となり、比較的取り扱いが困難である粒径の大きい蛍光物質を用いた場合でも歩留まり良く生産することが可能となる。このように本発明における拡散剤は粒径範囲により作用が異なり、使用方法に合わせて選択若しくは組み合わせて用いることができる。
【0096】
[フィラー]
更に、本発明において、封止部材中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が5μm以上100μm以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。更に、封止材料の流動性を長時間一定に調整することが可能となり、所望とする位置に封止部材を形成することができ、歩留まり良く量産することが可能となる。
【0097】
また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び/又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書中における「類似の粒径」とは、各粒子それぞれの中心粒径の差が20%未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度(円形度=粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ/粒子の投影の周囲長さ)の値の差が20%未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光物質を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。
【0098】
例えば、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が15μm〜50μm、より好ましくは20μm〜50μmとすることができる。このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。
【0099】
[導電性ワイヤ]
本形態において、第二の導電性部材として利用することができる導電性ワイヤは、導体配線とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては0.01cal/(s)(cm2)(℃/cm)以上が好ましく、より好ましくは0.5cal/(s)(cm2)(℃/cm)以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤの直径は、好ましくは、Φ10μm以上、Φ45μm以下である。このような導電性ワイヤとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤが挙げられる。このような導電性ワイヤは、導体配線に形成させたワイヤーボンディング領域と、外部の電極(パッケージに施された配線パターンなど)と、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
【0100】
[透光性部材]
本形態にかかる半導体装置は、半導体素子、導電性部材および封止部材を外部環境から保護し、発光素子や受光素子の配光性および集光性を制御する光学形状を有する透光性部材を備えることができる。ここで、透光性部材の形状は、受光素子への集光性や発光素子からの光の配光性を制御するため、種々の形状とされる。また、透光性部材の材料は、ガラスのような透光性無機部材、アクリル樹脂、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性に優れた樹脂が選択される。
【0101】
本形態における透光性部材の一例として、透光性部材の一部を空洞(中空)にし、かつ均一な厚みでドーム形状としたレンズが挙げられる。このとき、空洞の部分には空気あるいは窒素ガスのような不活性気体が封入されることが好ましい。特に、窒素ガスのような不活性気体を封入することにより、放熱性を向上させるために金属粒子が含有された導電性接着剤の品質劣化を防止することができる。例えば、保護素子など裏面電極を有する半導体素子の導電性接着剤として利用されるAgペーストのマイグレーションを抑制し、信頼性の高い発光装置とすることができる。また、半導体素子は、空洞の部分に収納され、光学部材と支持基板とにより気密封止される。したがって、発光素子から出射した光は、上記不活性気体を媒質としてレンズの発光観測面から出射する。これにより、発光装置として上記空洞部分に収納された光源(発光素子)の部分が見かけ上、大きくならない様にすることができる。つまり、ガラスや樹脂などが満たされ、中空部が存在しない透光性部材は、それら自体が凸レンズとして機能し、見かけ上光源サイズが大きくなり、反射面のような他の光学部材に対する発光面が大きくなる。これを用いて所定の配光特性を実現させるためにはより大きな光学系が必要となる。一方、中空とすることにより、他の光学部材に対する発光面を比較的小さくとることができ、配光性をより制御しやくすなり、優れた配光性を得ることができる。
【実施例1】
【0102】
以下、本発明に係る一実施例について詳述する。なお、本発明は、以下に示す発光装置の実施例のみに限定されることなく、受光装置など他の半導体装置に適用できることは言うまでもない。
【0103】
図1は、本実施例における発光装置の模式的な断面図を示す。また、図2は、本実施例における発光装置の模式的な上面図を示す。なお、図1は、図2のC−Cにおける断面図である。本実施例における発光装置は、2つの半導体発光素子が同一の支持基板(本実施例では、「サブマウント」と呼ぶこととする。)にフリップチップ実装され、該半導体発光素子が蛍光物質を含有し、X方向に開口部を有する封止部材にて被覆されてなる。その開口部は、半導体発光素子とサブマウントとの間に生じた間隙に繋がっている。
【0104】
さらに、図8に示されるように、本実施例における発光装置は、その出射光を所定の方向に導くための反射面を有するリフレクタ202を備えた照明装置とすることができる。本実施例における発光装置から出射光は、リフレクタ202によって集光され、図中Aの方向に反射される。リフレクタ202は、載置されたサブマウント103の導体配線に導電性ワイヤ105を介して接続される給電手段を有する実装基板201に固定される。図9は本実施例にかかる発光装置をZ方向から見たときの反射面と発光素子との関係を模式的に示す図である。ここでは、簡略化のため、封止部材に被覆された発光素子はZ方向から見て円形となるような側面について示している。発光素子の中心を基準として、発光素子の側面が反射面と対向している領域を領域Iとし、該領域I以外、つまり発光素子の側面が反射面と対向していない領域を領域IIとして示している。このうち、領域IIに対して導電性ワイヤ105の全体を配置させることにより、導電性ワイヤ105が発光装置の配光性に悪影響を及ぼすことなくすることができる。
【0105】
支持基板に施された導体配線は、半導体発光素子に対向する領域から導線性ワイヤが接続される領域IIの方向にかけてサブマウントの素地面が露出され絶縁領域104bとされており、正負一対の配線パターンとされている。また、サブマウント103の素地面を底面とし、導体配線の厚み(数十μm)分だけの側壁を有する凹部が形成されている。本実施例における封止部材の開口部は、該凹部にそって形成されている。なお、図2において、開口部108が形成されている四カ所を矢印で示している。また、開口部の開口方向は、図2および図8におけるX−Y座標のX方向と同じである。
【0106】
本実施例におけるサブマウント103は、窒化アルミニウムを材料とする板材に、導体配線がAuを材料とするスパッタリングにより形成されてなる。本実施例における導体配線は、図3に示されるように、LEDチップの正電極が対向する正の導体配線104a、およびLEDチップの負電極が対向する負の導体配線104cが絶縁部104cにより絶縁分離され、互いの導体配線の一部を包囲するように形成されている。サブマウントに配される正(+)極側の導体配線は、外部電極(図示せず)の正極側に導電性部材を介して接続される領域から、上記複数のLEDチップのうち一方のLEDチップ(A)のp側台座電極に対向する位置を経由して他方のLEDチップ(B)のp側台座電極に対向する位置まで延伸している。同様に、サブマウント103に配される負(−)極側の導体配線は、LEDチップ(A)およびLEDチップ(B)の一方のn側台座電極に対向する領域から、外部電極(図示せず)の負極側に接続される領域、およびLEDチップ(B)の他方のn側台座電極に対向する領域を経由して、LEDチップ(A)の他方のn側台座電極に対向する領域まで延伸している。したがって、サブマウント103に形成される導体配線は、LEDチップの電極形成面と対向する領域において、LEDチップの実装方向から見ると、正負の導体配線が互いに挟まれる状態で形成されており、2つのLEDチップは並列接続とされる。
【0107】
また、サブマウント103に垂直な方向から見て、正極側の導体配線の外縁は、負極側の導体配線の方向に凸な多数の円弧が配列された形状を有し、一方、負極側の導体配線の外縁部は、正極側の凸な円弧列の外縁に対応するような凹形状を有する。
【0108】
図5は、本実施例における半導体発光素子であるLEDチップの上面図を示す。本実施例におけるLEDチップは、活性層として単色性発光ピークが可視光である460nmのIn0.2Ga0.8N半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より詳細に説明すると、発光素子であるLEDチップは、洗浄させたサファイア基板上にTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてSiH4とCp2Mgを切り替えることによってn型窒化物半導体やp型窒化物半導体となる層を形成させる。
【0109】
本実施例のLEDチップの素子構造は、透光性基板であるサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるGaN層、Siドープのn型電極が形成されたn型コンタクト層となるn型GaN層、アンドープの窒化物半導体であるGaN層を積層させ、さらに、バリア層となるGaN層、井戸層となるInGaN層を1セットとして5セット積層して最後にバリア層となるGaN層を積層させて活性層とし、該活性層は多重量子井戸構造としてある。さらに、活性層上にはMgがドープされたp型クラッド層としてAlGaN層、Mgがドープされたp型コンタクト層であるp型GaN層を順次積層させた構成としてある。なお、サファイア基板上には低温でGaN層を形成させバッファ層とさせてある。また、p型半導体は、成膜後400℃以上でアニールさせてある。
【0110】
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、p型コンタクト層およびn型コンタクト層の各表面を露出させる。次に、p型コンタクト層上にITO(インジウムと錫の複合酸化物)を材料とするスパッタリングを行い、p型コンタクト層のほぼ全面にストライプ状の拡散電極が設けられる。このような電極とすることにより、拡散電極を流れる電流がp型コンタクト層の広範囲に広がるようにし、およびLEDチップの発光効率を向上させることができる。
【0111】
さらに、p側拡散電極およびn型コンタクト層の一部に対し、Rh/Pt/AuおよびW/Pt/Auを材料とするスパッタリングをそれぞれ順に行って、金属層として積層させ、p側台座電極とn側台座電極とする。最後に、半導体を積層し上記電極が形成されたウエハをダイシングによりチップ化し、□=1mm×1mmのLEDチップとする。本実施例において、ストライプ状に露出されたn型半導体に形成されたn型台座電極は、LEDチップの対向する二辺の上で絶縁性の保護膜(SiO2)から露出される。また、エッチングにより露出されたn型半導体は、LEDチップの上面方向からみて、n型台座電極が露出される隅部の位置からLEDチップの中央方向に向かって細くなった括れ部分を有する。また、互いに対向する一対の括れ部分を結ぶように延伸部を有する。さらに、その延伸部を挟むような位置に、p側の半導体層、拡散電極あるいはp側台座電極が保護膜から露出されている。
【0112】
LEDチップは、そのp側およびn側台座電極がAuバンプを介して正負の導体配線とそれぞれ対向され、荷重、超音波および熱をかけることにより、バンプを溶着し、サブマウントの導体配線に接合される。このとき、溶着されたバンプの厚みが20〜25μmである。p側台座電極と正の導体配線を接続するバンプの個数は、三つであり、p側台座電極の露出面が四列あるので、正の導体配線に配置されるバンプの数は、合わせて12個である。また、n側台座電極と負の導体配線を接続するバンプの個数は、六つである。本実施例における「半導体素子と支持基板との間の空隙」とは、発光素子とサブマウントとの間において、バンプが存在していない箇所の空間をいうものとする。さらに、その空間は、サブマウント103の絶縁部104bを介して封止部材の開口部108に繋がっている。
【0113】
封止材料に含有させる蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させ、これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。さらにフラックスとしてフッ化バリウムを混合した後坩堝に詰め、空気中1400℃の温度で3時間焼成することにより焼成品が得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が8μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。光変換部材の材料は、シリコーン樹脂に、上記蛍光物質を20〜75wt%含有させ、自転公転ミキサーにて5分間攪拌を行い、蛍光体と結着剤であるシリコーン樹脂との硬化性組成物とする。さらに、その硬化性組成物は、フリップチップ実装された半導体発光素子の発光観測側主面であるサファイア基板面に対し、スクリーン印刷する。
【0114】
図5および図6は、LEDチップにスクリーン印刷する工程を示す上面図である。以下、本実施例における硬化性組成物の印刷方法について述べる。
【0115】
本実施例において、硬化性組成物に含まれる樹脂材料の流動性を示す指標として「FLOW値」を定義する。本実施例における「FLOW値」とは、水平面に置かれた樹脂材料が所定の温度において流動して広がる領域の広さを数値化したものとする。即ち、本実施例におけるシリコーン樹脂のFLOW値は、水平面に載置された1gのシリコーン樹脂を150℃で1時間熱したとき、シリコーン樹脂が水平方向に広がった領域の最大径(mm)とする。
【0116】
工程1.まず、LEDチップの周囲にメタルマスクを配置させ、図5に示されるように、矩形のLEDチップの角からLEDチップの対角方向にスキージを移動させることにより、LEDチップの側面方向に硬化性組成物を印刷する。本工程におけるFLOW値は、8.5mmから11mmである。この値は、メタルマスクを外した後、硬化性組成物にタレが発生しないように調製された値である。また、図2の矢印の位置に形成される開口部の形状が崩れることがないように調製された値である。
【0117】
工程2.次に、図6に示されるように、LEDチップの角からLEDチップの対角方向にスキージを移動させ、LEDチップの主面方向に硬化性組成物を印刷する。本工程における硬化性組成物は、側面方向に配置させた硬化性組成物よりFLOW値が大きく、16.5mmから19mmとする。このようにFLOW値を設定することにより、硬化性組成物は容易にレベリングし、LEDチップ107の上面に形成される封止部材の発光観測面は平滑面となる。本実施例の形成方法によれば、LEDチップの側面と上面とでそれぞれ物性(レオロジー)の異なる硬化性組成物を配置することが容易にできる。即ち、LEDチップの側面にはタレの生じない硬化性組成物を塗布し、LEDチップの上面側にはレベリングし易い硬化性組成物を塗布することができる。したがって、LEDチップ107の全方位を均一な膜厚で被覆する封止部材を得ることができ、発光観測方位によって色度変化が少ない発光装置とすることができる。
【0118】
工程3.メタルマスクを取り外し、LEDチップ107の上面に配置された硬化性組成物の発光観測面側の表面がレベリングして平滑面となるまで所定の時間放置する。
【0119】
工程4.開口部の形状を保持させたままLEDチップ107に配置された硬化性組成物を150℃、1hrで硬化させることにより、層厚が70μmから80μmの封止部材得る。
【0120】
以上、説明したように、本実施例における発光装置は、熱による封止部材の変形が生じることなく、配光性などの光学特性に優れた発光装置とすることができる。
【実施例2】
【0121】
図10は、本実施例にかかる発光装置の模式的な斜視図である。また、図11は、本実施例にかかる発光装置の模式的な断面図である。本実施例にかかる発光装置300は、サブマウント303を載置するための基板305と、該基板305に固定される透光性部材301と、を有する発光装置である。その他は、上述の実施例1と同様に、封止部材に開口部を有する発光装置を形成する。また、基板305を実施例1における実装基板201に固定させ、照明装置とすることもできる。
【0122】
本実施例における透光性部材301は、蛍光物質を含有する封止部材で被覆されたLEDチップからの光の配光性を向上させるため、LEDチップに向かい合う側に凹部を設け、かつ均一な厚みでドーム形状とさせたガラスレンズである。さらに、透光性部材301は、基板305に対向する平面を有する端部306を備えており、その端部306がエポキシ樹脂などの接着剤304により基板305に固定される。これにより、透光性部材301の凹部内壁面と、基板305のサブマウント実装面とからなる中空の部分が形成される。また、発光素子および封止部材は、中空の部分に収納され、透光性部材301と基板305とにより気密封止されている。このとき、中空の部分に、水分を多く含む空気と置換して窒素ガスのような不活性気体を封入する。このように、窒素ガスのような不活性気体を封入することにより、放熱性を向上させるために金属粒子が含有された導電性接着剤の品質劣化を防止することができる。本実施例において、サブマウント303は、熱伝導性の高いAgペーストにて基板305に接着されており、Agのマイグレーションが抑制され、信頼性の高い発光装置とすることができる。
【0123】
本実施例において、LEDチップとサブマウント303との空隙は、封止部材302に設けられた開口部により、中空の部分と繋がっている。したがって、窒素ガスは、LEDチップとサブマウント303との空隙と、中空の部分との移動が自由にできる。そのため、本実施例における発光装置は、熱による封止部材の変形が生じることなく、配光性などの光学特性に優れた発光装置とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【0124】
本発明にかかる半導体装置は、封止部材の熱変形に伴う機能劣化がなく、信頼性の高い半導体装置として、高出力かつ高信頼性発光が求められる車両用灯具などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0125】
【図1】図1は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な断面図である。
【図2】図2は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な上面図である。
【図3】図3は、本発明の一実施例における支持基板を示す模式的な上面図である。
【図4】図4は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図5】図5は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図6】図6は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図7】図7は、本発明の一実施例における発光素子を示す模式的な上面図である。
【図8】図8は、本発明の一実施例における発光装置を利用した照明装置を示す模式的な断面図である。
【図9】図9は、本発明の一実施例における発光装置を利用した照明装置を示す模式的な上面図である。
【図10】図10は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な斜視図である。
【図11】図11は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【0126】
100、300・・・発光装置
101・・・蛍光物質
102・・・封止部材
103・・・支持基板
104a・・・正の導体配線
104b・・・絶縁部
104c・・・負の導体配線
105・・・導電性ワイヤ
106・・・導電性部材
107・・・半導体発光素子
108・・・開口部
109・・・p側台座電極
110・・・n側台座電極
111・・・延伸部
112・・・括れ部
113・・・硬化性組成物
201・・・実装基板
202・・・リフレクタ
203・・・封止部材で被覆された半導体発光素子
301・・・透光性部材
304・・・接着剤
305・・・基板
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子が樹脂材料により封止されてなる半導体装置に関し、特に、半導体発光素子と、その半導体発光素子からの光によって励起されて蛍光を発する蛍光物質を含有する封止部材とを組み合わせた半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子を有する半導体装置は、半導体素子を外部環境から保護するため、半導体素子が樹脂材料からなる封止部材により被覆されている。さらに、その封止部材に蛍光体を含有させることにより、半導体発光素子からの光によって励起された蛍光を発する半導体発光装置とすることもできる。
【0003】
例えば、特開2000−208822号公報に開示される半導体発光装置は、サブマウント素子にフリップチップ実装された発光素子が蛍光物質含有の樹脂により封止されてなる。この発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、該電極がバンプと呼ばれる導電性部材を介してサブマウントの導電性パターンに対向され、荷重、振動および熱を加えることにより、サブマウントに接合されている。さらに蛍光物質含有の封止樹脂は、例えば、蛍光物質を含有する樹脂をスクリーン印刷法によって発光素子に塗布することによって形成される。その形成方法は、まず、サブマウントに発光素子をフリップチップ実装した後、メタルマスクをサブマウントの上に配置する。次に、メタルマスクから露出されている発光素子に対して蛍光体を含有する樹脂を塗布し、メタルマスクを取り外す。さらに、塗布された蛍光体含有樹脂を熱硬化させることにより、発光素子が蛍光体含有樹脂により封止された半導体発光装置とする。
【0004】
【特許文献1】特開2000−208822号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、バンプを介してフリップチップ実装された半導体素子と、サブマウントとの間には隙間が生じる。さらに、半導体素子と、サブマウントとの隙間に存在する気体は、半導体素子の発熱により膨張し、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続を妨げることがある。また、発光素子を封止する樹脂が気泡を有すると、その気泡の界面で発光素子からの光が反射あるいは屈折し、所望の光学特性を有する半導体発光装置とすることができない。さらに、蛍光体含有樹脂に気泡が存在すると、発光素子の周囲に蛍光体を均一に分散させることができず、半導体発光装置の出力光に色ズレや色ムラが発生し、発光観測方位によって均一な色度を有する発光装置とすることができない。
【0006】
一方、フリップチップ実装された半導体素子とサブマウントとの間にアンダーフィルと呼ばれる樹脂を充填し、その隙間を埋め、気泡の発生を抑制することがある。しかし、アンダーフィルとされた樹脂は、半導体素子の発熱により膨張する。そのため、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が妨げられる問題は、アンダーフィルの充填によっても生じることがある。
【0007】
そこで、本発明は、半導体素子を封止する材料の気泡に伴う問題を解決し、信頼性の高い半導体装置を量産性よく提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
以上の目的を達成するために本発明に係る半導体装置は、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、上記半導体素子は、上記支持基板との間に空隙を有するように実装されており、上記封止部材は、該空隙に繋がる開口部を有することを特徴とする半導体装置である。これにより、封止部材の変形に伴う半導体装置の品質低下を防ぐことができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0009】
また、上記支持基板は、上記半導体素子が接合されている主面側に凹部を有し、上記開口部は、該凹部と上記封止部材とからなることが好ましい。これにより、半導体素子と支持基板との空隙と、封止部材の外側の空間とが繋がった状態を維持することが容易にできる。
【0010】
また、上記半導体素子は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が第一の導電性部材により上記支持基板の導体配線に接合されており、上記凹部は、上記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁していることが好ましい。これにより、導体配線の絶縁部分にて開口部を形成することができ、半導体素子と支持基板との空隙と封止部材の外側とを空間的に繋げることが容易にできる。
【0011】
また、上記正負一対の配線パターンは、第二の導電性部材を介して外部の電極と接続する領域を有し、その領域の側に上記開口部を有することが好ましい。これにより、封止部材の機能に影響を与えない側に開口部を形成し、高品位な半導体装置とすることができる。
【0012】
また、上記封止部材は、上記半導体素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有することができる。これにより、蛍光物質が発した蛍光を有する光を放射する発光装置とすることができる。
【0013】
また、上記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されていることが好ましい。これにより、封止部材が外部環境の影響を受けることなく信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0014】
また、上記目的を達成するために本発明に係る半導体装置の製造方法は、導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法であって、上記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する第一の工程と、上記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を供給して該半導体素子を被覆しながら、その封止材料により上記空隙の一部を前記第二の外縁部の側に押出させ、上記第二の外縁部側の封止材料に開口部を形成させる第二の工程と、上記開口部により、上記空隙と前記封止材料の外側の空間とを繋げた後、上記封止材料を固化させる第三の工程と、を有することを特徴とする。これにより、封止部材の変形に伴う半導体装置の品質低下を防ぎ、信頼性の高い半導体装置を製造することが容易にできる。
【0015】
また、上記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させる第四の工程とを有することができる。これにより、封止部材の機能に悪影響を与えることなく、外部電極との電気的接続を図ることができる。
【0016】
また、上記半導体素子の第一の外縁部は、前記第二の外縁部に対して対角方向に位置することが好ましい。これにより、所定の方向に上記開口部を形成することが容易にできる。
【0017】
また、上記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有することが好ましい。これにより、所定の方向に上記開口部を形成することが容易にできる。
【0018】
なお、上述の半導体装置およびその製造方法において、上記第一の導電性部材は、バンプであることが好ましい。これにより、半導体素子と支持基板との間に、容易に隙間を生じさせることができる。また、上記第二の導電性部材は、導電性ワイヤであることが好ましい。これにより、半導体装置の外部との電気的接続を容易にとることができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明にかかる半導体装置は、封止部材の外側と、半導体素子と支持部材との間に生じた間隙が空間的に繋がるような開口部を有しており、上記間隙内の気圧と封止部材の外側の気圧とが等圧状態に維持される。これにより、半導体素子と支持部材との間に生じた間隙に存在する気体が膨張あるいは収縮しても、その気体は、上記空間と封止部材の外側の空間と間の移動が自由にできる。そのため、封止部材が変形したり、半導体素子と支持基板との間に入り込んだ封止部材の膨張によって、半導体素子と支持部材との接合が断たれたりする恐れがない。したがって、本願発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、高品質な封止部材を有する半導体装置とすることができ、さらに光学特性に優れた信頼性の高い発光装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置を例示するものであって、本発明は半導体装置を以下に限定するものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【0021】
一般に、半導体素子を有する半導体装置は、半導体素子を外部環境から保護するため、あるいは所望の光学特性を有する発光装置とするため、樹脂材料からなる封止部材により半導体素子が被覆されている。例えば、LEDチップが透光性樹脂により封止されてなる発光ダイオードは、その透光性樹脂中に蛍光物質を含有させることにより、半導体発光素子からの光によって励起された蛍光を発する発光ダイオードとすることもできる。
【0022】
また、サブマウント素子にフリップチップ実装された発光素子が蛍光物質含有の樹脂により封止される発光ダイオードもある。このように、発光素子をフリップチップ実装することにより、発光素子からの放熱性を向上させ、高出力発光可能な発光ダイオードとすることができる。このような発光装置において、発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、それらの電極のうち少なくとも一方がバンプと呼ばれる導電性部材を介してサブマウントの導電性パターンに対向され接合されている。さらに蛍光物質含有の封止樹脂は、例えば、蛍光物質を含有する樹脂をスクリーン印刷法によって発光素子に塗布することによって形成される。その形成方法は、まず、フリップチップ実装された発光素子をサブマウントに対し、メタルマスクをサブマウントの上に配置する。次に、メタルマスクから露出されている発光素子に対して蛍光体を含有する樹脂を塗布し、メタルマスクを取り外す。さらに、塗布された蛍光体含有樹脂を熱硬化させることにより、発光素子が蛍光体含有樹脂により封止された半導体発光装置とする。
【0023】
バンプを介して半導体素子をフリップチップ実装すると、半導体素子とサブマウントとの間にバンプの厚み分だけの隙間が生じる。この隙間は、封止部材にて半導体素子を被覆した後も残存することとなる。さらに、半導体素子とサブマウントとの隙間に存在する空気は、熱により膨張し、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が断たれることがある。また、半導体装置をエージングさせるときに、半導体素子とサブマウントとの間隙に残留している空気が膨張することにより、封止部材が破損する恐れがある。
【0024】
一方、フリップチップ実装された半導体素子とサブマウントとの間にアンダーフィルと呼ばれる樹脂を充填し、その隙間を埋めることもできる。しかし、アンダーフィルとされた樹脂も熱を受けて膨張する。そのため、アンダーフィルを充填しないときと同様に、半導体素子とサブマウントとの電気的および機械的接続が断たれることがある。
【0025】
また、半導体素子を封止材料にて被覆する際、上記隙間に残存する空気が封止樹脂中に入り込み、気泡として残存することがある。これにより、その気泡の界面で発光素子からの光が反射あるいは屈折し、所望の光学特性を有する半導体発光装置とすることができない。さらに、蛍光物質を含む樹脂に気泡が存在すると、発光素子の周囲に蛍光物質を均一な量で分散させることができず、半導体発光装置の出力光に発光観測方位によって色ズレや色ムラが発生し、光学特性に優れた発光装置とすることができない。
【0026】
(半導体装置)
そこで、本発明者らは、導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置において、種々の検討を行った結果、半導体素子を、支持基板との間に空隙を有するように実装させ、封止部材は該空隙に繋がる開口部を有する半導体装置とすることにより、上述の課題を解決するに至った。
【0027】
すなわち、本発明にかかる半導体装置は、封止部材の外側と、半導体素子と支持基板との間に生じた間隙が空間的に繋がるような開口部を有しており、上記間隙内の気圧と封止部材の外側の気圧とが等圧状態に維持されることとなる。なお、本明細書中において、「空間的に繋がる」とは、気体の移動が可能な程度の隙間が生じていることをいう。
【0028】
したがって、半導体素子と支持部材との間隙と、封止部材の外側の空間との間で、気体の移動が自由である。そのため、発光装置を長時間、高出力で使用しても、封止部材が変形したり、半導体素子と支持基板との間に入り込んだ封止部材の膨張によって、半導体素子と支持部材との接合が断たれたりする恐れがない。
【0029】
また、上記支持基板は、上記半導体素子が接合されている主面側に凹部あるいは溝を有し、上記開口部は、該凹部の内壁面と上記封止部材の外面とから形成されていることが好ましい。さらに、上記半導体素子は、正負一対の電極を有し、その電極の少なくとも一方が導電性部材により上記支持基板の導体配線に接合されており、上記凹部は、上記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁している部分であることが好ましい。これにより、導体配線の絶縁部分を開口部の形成に利用することができ、半導体素子と支持基板との空隙と封止部材の外側とを空間的に繋げることが容易にできる。また、封止材料中に含有される気泡が凹部を介して封止材料の外部に放出され易くなる。また、絶縁部分の延伸方向を所定の方向とすることで、開口部を所望の位置に形成することができると考えられる。例えば、本形態にかかる発光装置と、該発光装置からの出光を光学制御する反射鏡(リフレクタ)とを組み合わせる。このとき、発光素子の側面のうち、リフレクタに対向している側面方向以外から出射する光は、実質的に発光装置の光学特性に影響を及ぼさない。また、上記正負一対の配線パターンは、導電性ワイヤなどの導電性部材を介して外部の電極と接続する領域をリフレクタと反対側に有し、その領域の側に上記開口部を有することができる。したがって、リリフレクタに対向している側面方向以外に開口部が位置するような封止部材とすることにより、発光装置の光学特性に悪影響を及ぼすことなく、信頼性の高い発光装置とすることができる。さらに、上記凹部を形成することにより、半導体素子と支持基板との空隙と、封止部材の外側の空間とが繋がった状態を確実に維持することができる。すなわち、半導体装置の長時間の使用により、封止部材が多少変形したとしても、上記凹部により開口部の形状およびその機能は十分に維持することができる。
【0030】
また、上記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されていることが好ましい。すなわち、凹部を有する透光性部材の該凹部の内壁面を、支持基板に載置された半導体素子および該半導体素子を被覆する封止部材に対向させる。さらに、透光性部材の凹部の側壁端部を支持基板に固着させることにより、半導体素子および封止部材を密封する。これにより、凹部内壁面と支持基板の半導体素子実装面とで形成される中空の部分の内圧および半導体素子と支持基板との間隙の気圧は、封止部材の開口部によって一定とすることができる。したがって、封止部材の変形に伴う光学特性の劣化が生じることなく、信頼性の高い発光装置とすることができる。
【0031】
(半導体装置の製造方法)
上記目的を達成するために本発明に係る半導体装置の製造方法は、導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法である。特に、少なくとも以下の工程を有することにより、上述したような課題を解決するに至った。
【0032】
(1)まず、上記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する。ここで、半導体素子の電極は、同一面側に正負一対の電極を有するものに限定されない。半導体素子の主面と裏面側で極性が異なる電極を有する半導体素子とすることもできる。第一の導電性部材は、AuAg、Alなどの金属を材料とするバンプ、Au−Snなどの半田バンプなどとされ、半導体素子と支持基板との間に間隙が形成されるように、半導体素子の電極あるいは支持基板の導体配線に対してドット状に複数個が配置される。また、本形態におけるバンプは、バンプボンダーにより、ボール状とされた金属細線の先端部を半導体素子の電極あるいは支持基板の導体配線に対して溶着させることにより形成される他、蒸着、鍍金などの方法により形成させることもできる。
【0033】
なお、本明細書中では、半導体素子と導体配線との接続方法について、荷重、熱および超音波によりバンプを溶着させる方法を例示するが、接続方法はこれに限定されることはない。すなわち、半導体素子と支持基板との間に空隙を形成することができる種々の方法、例えば、スタットバンプボンディング法(SBB法)や異方導電シート/接着剤を用いるACF法を適用できることは言うまでもない。
【0034】
(2)次に、上記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を連続して供給することにより該半導体素子を被覆しながら、封止材料により上記空隙の一部を第二の外縁部の側に押出させ、その空隙の一部により開口部を形成させる。すなわち、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を連続して供給すると、空隙の一部(特に、半導体素子の外縁近傍に存在する空隙)に供給された封止材料の体積分だけ、第二の外縁部の側に空気が押出され、開口部が形成される。
【0035】
ここで、第一の外縁部とは、半導体素子が矩形であるとき、隣接する二辺によって形成された半導体素子の角の部分であり、第二の外縁部とは、同じく隣接する二辺によって形成された半導体素子の角の部分、かつ第一の外縁部から最も離れている部分である。また、本発明者らの実験によれば、半導体素子の第一の外縁部は、第二の外縁部に対して対角方向に位置することが好ましい。さらに、上記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有することが好ましい。これにより、第二の外縁部の側に開口部を形成することが容易にできる。
【0036】
封止材料は、封止部材と形成するための材料であり、半導体素子に対して、スクリーン印刷や孔版印刷などの方法により第一の外縁部から第二の外縁部の方向に徐々に配置され、半導体素子を被覆する。本形態において、半導体素子は、まず、側面方向を比較的粘度の高い封止材料で被覆され、次に、主面方向を粘性の低い材料で被覆されることが好ましい。これにより、主面方向の封止材料の表面は容易に平滑化され、側面方向では樹脂ダレを生じさせることなく、所望の厚みの封止部材により半導体素子を被覆させることができる。
【0037】
(3)さらに、上記第二の外縁部を形成する二辺のうちの一辺の側(例えば、図2に示される矢印の位置)に形成される開口部により、上記空隙と上記封止材料の外側の空間とを繋げた後、上記封止材料を固化させる。なお、封止材料は、形成された開口部の形状が固化されるまで保持できるような所定の粘度に調整される。
【0038】
また、上記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させることができる。これにより、封止部材の機能に悪影響を与えることなく、半導体素子が外部電極との電気的接続を図ることができる。例えば、上記第二の外縁部側に、導電性ワイヤのような金属細線をワイヤーボンディングさせることができる。さらに、第一の外縁部側に反射鏡を配置させ、発光素子からの光を所定の方向に反射させる発光装置とする。つまり、発光素子から出射する光のうち、出射される光が反射鏡で集光される封止部材の光出射面側には、開口部が形成されていないようにする。これにより、発光素子からの光射する光を開口部の形状により影響を受けることなく反射鏡に集光させることができ、開口部が発光装置の光学特性に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【0039】
なお、本発明の別の実施態様によれば、別工程で成型された枠体を半導体素子の周囲に配置して封止部材に代えることもでき、封止部材の一部とすることもできる。このような枠体の開口部は、半導体素子の外形が収まる方向、すなわち半導体素子の側面方向に貫通するように形成される。あるいは、開口部とする箇所に所定の間隔が空くように分断された枠体とすることもできる。
【0040】
枠体は、半導体素子の側面方向を包囲するように、半導体素子が実装された支持基板に固定される。さらに、半導体素子の主面(例えば、半導体素子の半導体成長用基板面)側に透光性樹脂を配置させて、封止部材とすることもできる。以下、本形態の各構成について詳述する。
【0041】
[半導体素子]
本発明における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子、あるいはそれらを組み合わせたものとすることができる。ここでは特に、発光素子として、LEDチップについて説明する。LEDチップを構成する半導体発光素子としては、ZnSeやGaNなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を使用する場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【0042】
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にMOCVD法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にGaN、AlN、GaAlN等のバッファ層を形成し、その上にpn接合を有する窒化物半導体を形成させる。
【0043】
窒化物半導体を使用したpn接合を有する発光素子の例として、バッファ層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
【0044】
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。
【0045】
p型半導体層には、発光素子に投入された電流をp型半導体層の全面に広げるための拡散電極が設けられる。さらに、拡散電極およびn型半導体層には、本形態における導電性部材であるバンプや導電性ワイヤのような導電部材と接続するp側台座電極およびn側台座電極がそれぞれ設けられる。
【0046】
本形態において、発光素子は、p型半導体側の正電極およびn型半導体側の負電極を有し、発光観測面方向から見て、負電極が正電極の間にあるようにそれぞれの電極が交互に配されている。これにより、本発明にかかる導体配線を有する支持基板に対して安定にフリップチップ実装できるだけでなく、電極間を流れる電流が均一になることにより発光素子の発光面からの発光が均一になるため好ましい。また、上記n型半導体は、発光観測面方向から見て、導電性部材が載置され互いに対向する隅部と、該隅部から半導体素子の内側方向に向かって細くなる括れ部と、互いに対向する括れ部同士を結ぶ延伸部とを有するように半導体層から露出される。これにより、発光素子の発光に寄与しないn側半導体の領域を減らし、p側半導体の領域を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。以下、本形態における発光素子について詳細に説明する。
【0047】
図7は、本形態における半導体発光素子を電極が形成されている側から見た上面図である。図7に示されるように、p側およびn側台座電極の形状は、ドット状に配置されるバンプの配置パターンに対応させて楕円形状に保護膜から露出される。
【0048】
拡散電極あるいはp側台座電極、およびn側台座電極の形成は、エッチング等の方法によりn型半導体を露出させた後、蒸着法やスパッタリング法により行う。ここで、n型半導体が互いに平行なストライプ状に露出されるように形成し、拡散電極や台座電極を発光素子に形成する。これにより、本発明にかかる導体配線を有する支持基板に対して安定に実装でき、また、電極間を流れる電流が均一になることにより発光素子の発光面からの発光が均一になるため好ましい。
【0049】
図7に示されるように、電極が形成されている側から見て、露出されたn型半導体の領域は、矩形の発光素子の対向する二辺に隅部を有する。その隅部には、n側台座電極110が保護膜から露出される。さらに、n側台座電極は、上記隅部の領域から発光素子の内側方向に向かって徐々に幅が細くなっている括れ部112を有する。さらに、発光素子は、一方の括れ部112から、他方の括れ部112まで直線状に延びる延伸部111を有している。なお、括れ部112および延伸部111は、保護膜に被覆されている。
【0050】
また、電極が形成されている側から見て、p側の拡散電極の幅は、発光素子中央部分において露出されたn型半導体領域の幅より広い。また、n型半導体は、p側拡散電極およびp型半導体の間に露出され、その露出されたn型半導体(主に延伸部111)およびp側台座電極109が交互に配されている。このように、本形態にかかる発光素子は、括れ部分および延伸部を有することによりp側拡散電極の領域面積を大きくすることができ、発光素子に投入される電流を均一に拡散させ、その電流量を増大させることができる。したがって、本形態にかかる発光素子は、発光素子からの放熱性を向上させ、従来と比較して高輝度な発光装置を構成することができる。さらに、発光素子の発光に寄与しないn型半導体の露出領域を減らし、p型半導体の領域およびp側拡散電極の領域を相対的に増やすことで発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【0051】
本形態において、p側およびn側台座電極の材料は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。すなわち、バンプがAuを材料とするときは、p側およびn側台座電極の材料、特にバンプとの接合面となる最上層の材料は、AuまたはAuを含む合金とする。例えば、p側およびn側台座電極は、Rh/Pt/AuおよびW/Pt/Auとされ、それぞれの金属の厚みは数百Å〜数千Åである。なお、本明細書中において、記号「A/B」は、金属Aおよび金属Bが順にスパッタリングあるいは蒸着のような方法により積層されることを示す。
【0052】
また、p型半導体層側全面に形成される拡散電極は、発光素子の出光を発光素子の透光性基板方向へ反射させる材料とすることが好ましい。例えば、Ag、Al、Rh、Rh/Irが挙げられる。その他、p型半導体層の全面にITO(インジウム(In)とスズ(Sn)の複合酸化物)、ZnOのような酸化物導電膜や、Ni/Au等の金属薄膜を透光性の拡散電極として形成させることができる。
【0053】
基板にサファイア等の透光性の絶縁性基板を用いた場合、正負両電極形成後、半導体ウエハから所望の大きさ、形状のチップ状にカットすることで、同一面側に正負両電極が設けられた窒化物半導体チップが得られ、発光素子を形成することができる。
【0054】
[支持基板]
本形態における支持基板とは、少なくとも半導体素子の電極に対向する面に導体配線が施され、フリップチップ実装された半導体素子を固定・支持するための部材である。さらに、支持基板を実装基板のリード電極に導通させるときには、半導体素子に対向する面からリード電極に対向する面にかけて導体配線が施される。
【0055】
導体配線の材料とする金属は、Auや銀白色の金属、特に、反射率の高いAlなどとされる。反射率の高い銀白色の金属とすることにより、発光素子からの光が支持基板と反対側の方向に反射され、発光装置の光取り出し効率が向上するため好ましい。ここで、導体配線の材料とする金属は、金属相互間の接着性の良さ、いわゆる濡れ性等を考慮して選択されることが好ましい。例えば、Auバンプを介して、Auを含むLEDチップの電極とを超音波ダイボンドにより接合するとき、導体配線は、AuまたはAuを含む合金とする。導体配線は、所定のパターンを有するマスクを用いた蒸着あるいはスパッタ、あるいは鍍金などの方法により形成される。
【0056】
支持基板の材料は、SiC、GaAs、BN、C(ダイヤモンド)などが使用される。さらに、発光素子と熱膨張係数がほぼ等しいもの、例えば窒化物半導体発光素子に対して窒化アルミニウム(AlN)が好ましい。このような材料を使用することにより、支持基板と発光素子との間に発生する熱応力の影響を緩和することができる。あるいは、支持基板の材料は、静電保護素子の機能を備えさせることもでき安価でもあるSi(シリコン)が好ましい。
【0057】
保護素子の機能を備えるサブマウントの一例として、例えば、Siダイオード素子のn型シリコン基板内に選択的に不純物イオンの注入を行うことによりp型半導体領域を形成し、逆方向ブレークダウン電圧が所定の電圧に設定する。
【0058】
保護素子の機能を備えるサブマウントの他の一例として、Siダイオード素子であり、複数のn型半導体領域およびp型半導体領域が一方の主面方向に形成されているサブマウントが挙げられる。さらに、銀白色の金属を材料(例えば、Al、Ag)とする反射膜が上記p型およびn型の半導体領域に電気的に接続するように形成される。また、反射膜の一部の領域は、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされることにより、電極とすることができる。その電極は、バンプが載置され、あるいは発光素子の電極と直接接合することができる。また、p型半導体領域および反射膜が形成されていないn型半導体領域の一部は、例えば、SiO2のような絶縁膜により被覆されている。また、サブマウントは、裏面に、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされた電極を有することができる。
【0059】
半導体発光素子は、上記保護素子の機能を備えるサブマウントに対してフリップチップ実装される。すなわち、サブマウントのn型半導体領域の電極にAuバンプを載置した後、半導体発光素子のp側台座電極およびn側台座電極が、Auバンプを介して対向される。次に、超音波、熱および荷重を加えることにより、半導体発光素子とサブマウント部材とが電気的および機械的に接続される。サブマウント部材のSiダイオード素子と半導体発光素子の回路構成は、2つのダイオードの直列接続による双方向ダイオードと、半導体発光素子との並列接続となる。これにより、半導体発光素子は、順方向・逆方向の過電圧から保護され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【0060】
さらに、支持基板に対し、発光素子の実装に悪影響を与えない箇所に、孔や凹凸形状を設ける。このような形状を設けることにより、半導体素子と支持基板との間に生じた間隙と、封止部材の外郭面の外側へ連絡する空隙を有する半導体装置とすることができる。
【0061】
また、支持基板の厚さ方向に少なくとも一つ以上の貫通孔を設け、貫通孔の内壁面に導体配線が延材するように形成すると、放熱性がさらに向上するため好ましい。なお、本形態における支持基板の導体配線は、導電性ワイヤーを介して実装基板のリード電極と接続されるが、一方の主面から他方の主面に施された導体配線と外部のリード電極とを接合部材により接続する構成としても構わない。
【0062】
支持基板に設けた導体配線と半導体素子の電極との接続は、第一の導電性部材として利用可能な接合部材、例えばAu、共晶材(Au−Sn、Ag−Sn)、ハンダ(Pb−Sn)、鉛フリーハンダなどによって超音波接合を行う。また、導体配線と実装基板のリード電極とを直接接続する構成とするとき、支持基板の裏面に設けた導電性パターンとリード電極との接続は、例えばAuペースト、Agペーストなどの導電性接着剤によって行うことが好ましい。
【0063】
[封止部材]
本形態において、封止部材とは、被覆する半導体素子を外部環境からの外力、塵芥や水分などから保護するためのものである。特に、本形態における封止部材は、半導体素子と支持基板との間に生じた空隙と、封止部材の外側の空間とを繋ぐための開口部を有する。開口部の大きさ(内径)は、実装された半導体素子と支持基板との間隔と同程度であり、空気の移動が可能な程度である。また、封止部材は、半導体発光素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有することもできる。
【0064】
封止部材は、形状を種々変化させることによって発光素子から放出される光の指向特性を種々選択することができる。即ち、封止部材の形状を凸レンズ形状、凹レンズ形状とすることによってレンズ効果をもたすことができる。そのため、所望に応じて、ドーム型、発光観測面側から見て楕円状、立方体、三角柱など種々の形状を選択することができる。
【0065】
具体的封止部材としては、耐光性、透光性に優れたエポキシ樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂、シリコーン樹脂などの有機物質や硝子など無機物質を選択することができる。また、封止部材に発光素子からの光を拡散させる目的で酸化アルミニウム、酸化バリウム、チタン酸バリウム、酸化珪素などを含有させることもできる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たすために各種着色剤を添加させることもできる。さらに、発光素子からの発光波長によって励起され蛍光を発する蛍光物質を含有させる。また、封止樹脂の内部応力を緩和させる各種フィラーを含有させることもできる。
【0066】
[蛍光体]
本発明において、半導体素子を発光素子とするとき、半導体発光素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を配置することができる。例えば、(1)半導体発光素子の半導体素子構造や保護膜、(2)発光素子あるいはサブマウントを被覆する封止部材、(3)発光素子がフリップチップ実装されたサブマウントを支持体に固着させるダイボンド材、(4)サブマウントおよびパッケージのような支持基体など、各構成部材中および/または各構成部材の周辺に無機蛍光体や有機蛍光体のような種々の蛍光物質を配置または含有させることができる。特に、封止部材と組み合わされる蛍光物質は、封止部材の発光観測面側表面を被覆するようにシート状に設けられる他、封止部材の発光観測面側表面および発光素子から離間させた位置に、蛍光体を含む層、シート、キャップあるいはフィルターとして封止部材の内部に設けることもできる。また、フリップチップ実装された発光素子を被覆するように形成される波長変換部材は、蛍光体を含む結着材を材料として、メタルマスクやスクリーン版によるスクリーン印刷や孔版印刷により形成されることが好ましい。このように形成することにより、発光素子の周囲に均一な膜厚を有する波長変換部材を形成することが容易にできる。
【0067】
本願発明に利用可能な蛍光体は、発光素子から放出される可視光や紫外光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光するものである。特に、本形態に用いられる蛍光体は、少なくとも発光素子から発光された光によって励起され、波長変換した光を発光する蛍光体をいい、該蛍光体を固着させる結着剤とともに波長変換部材を構成する。結着剤としては、例えば、エポキシ樹脂のような透光性樹脂や、耐光性の高いシリコーン樹脂や金属アルコキシドを出発原料としてゾルゲル法により生成される透光性無機材料とすることもできる。
【0068】
本明細書中における蛍光体の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光体の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温25℃、湿度70%の環境下において、濃度が0.05%であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光体を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置(SALD−2000A)により、粒径範囲0.03μm〜700μmにて測定し得られたものである。
【0069】
本実施の形態において使用される蛍光体は、YAG系蛍光体に代表されるアルミニウム酸化物系蛍光体と、赤色系の光を発光可能な蛍光体、特に窒化物系蛍光体とを組み合わせたものを使用することもできる。これらのYAG系蛍光体および窒化物系蛍光体は、混合して波長変換部材中に含有させてもよいし、複数の層から構成される波長変換部材中に別々に含有させてもよい。以下、それぞれの蛍光体について詳細に説明していく。
【0070】
(アルミニウム酸化物系蛍光体)
本実施の形態に用いられるアルミニウム酸化物系蛍光体とは、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された蛍光体であり、LEDチップから発光された可視光や紫外線で励起されて発光する蛍光体である。
【0071】
例えば、YAlO3:Ce、Y3Al5O12:Ce、Y4Al2O9:Ce、(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce、Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce、Tb2.95Ce0.05Al5O12、Y2.90Ce0.05Tb0.05Al5O12、Y2.94Ce0.05Pr0.01Al5O12、Y2.90Ce0.05Pr0.05Al5O12等が挙げられる。さらに、本実施の形態において、特にYを含み、かつCeあるいはPrで付活され組成の異なる二種類以上のアルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(以下、「YAG系蛍光体」と呼ぶ。)が利用される。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては(Re1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y,Gd,Laからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。)などが好ましい。
【0072】
YAG系蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが470nm付近などにさせることができる。また、発光ピークも530nm付近にあり720nmまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たせることができる。
【0073】
本実施の形態に用いられるセリウムで付活された緑色系が発光可能なYAG系蛍光体では、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近にさせることができる。また、発光ピーク波長λpも510nm付近にあり700nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。一方、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体である赤色系が発光可能なYAG系蛍光体でも、ガーネット構造であり熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近にさせることができる。また、発光ピーク波長λpが600nm付近にあり750nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。
【0074】
ガーネット構造を持ったYAG系蛍光体の組成の内、Alの一部をGaで置換することで発光スペクトルが短波長側にシフトし、また組成のYの一部をGd及び/又はLaで置換することで、発光スペクトルが長波長側へシフトする。このように組成を変化することで発光色を連続的に調節することが可能である。したがって、長波長側の強度がGdの組成比で連続的に変えられるなど窒化物半導体の青色系発光を利用して白色系発光に変換するための理想条件を備えている。Yの置換が2割未満では、緑色成分が大きく赤色成分が少なくなり、8割以上では、赤み成分が増えるものの輝度が急激に低下する。また、励起吸収スペクトルについても同様に、ガーネット構造を持ったYAG系蛍光体の組成の内、Alの一部をGaで置換することで励起吸収スペクトルが短波長側にシフトし、また組成のYの一部をGd及び/又はLaで置換することで、励起吸収スペクトルが長波長側へシフトする。YAG系蛍光体の励起吸収スペクトルのピーク波長は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長より短波長側にあることが好ましい。このように構成すると、発光素子に投入する電流を増加させた場合、励起吸収スペクトルのピーク波長は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長にほぼ一致するため、蛍光体の励起効率を低下させることなく、色度ズレの発生を抑えた発光装置を形成することができる。
【0075】
アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、以下のような方法で製造することができる。まず、蛍光体は、Y、Gd、Ce、La、Al、Sm、Pr、Tb及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、La、Sm、Pr、Tbの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中1350〜1450°Cの温度範囲で2〜5時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。また、別の実施の形態の蛍光体の製造方法では、蛍光体の原料を混合した混合原料とフラックスからなる混合物を、大気中又は弱還元雰囲気中にて行う第一焼成工程と、還元雰囲気中にて行う第二焼成工程とからなる、二段階で焼成することが好ましい。ここで、弱還元雰囲気とは、混合原料から所望の蛍光体を形成する反応過程において必要な酸素量は少なくとも含むように設定された弱い還元雰囲気のことをいい、この弱還元雰囲気中において所望とする蛍光体の構造形成が完了するまで第一焼成工程を行うことにより、蛍光体の黒変を防止し、かつ光の吸収効率の低下を防止できる。また、第二焼成工程における還元雰囲気とは、弱還元雰囲気より強い還元雰囲気をいう。このように二段階で焼成すると、励起波長の吸収効率の高い蛍光体が得られる。従って、このように形成された蛍光体にて発光装置を形成した場合に、所望とする色調を得るために必要な蛍光体量を減らすことができ、光取り出し効率の高い発光装置を形成することができる。
【0076】
(ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体)
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、一般式(Lu1−a−bRaMb)3(Al1−cGac)5O12(但し、RはCeを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素である。MはSc、Y、La、Gdから選択される少なくとも1種の元素であり、0.0001≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0.0001≦a+b<1、0≦c≦0.8である。)で表される蛍光体である。例えば、組成式が(Lu0.99Ce0.01)3Al5O12、(Lu0.90Ce0.10)3Al5O12、(Lu0.99Ce0.01)3(Al0.5Ga0.5)5O12で表される蛍光体である。
【0077】
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(以下、「LAG系蛍光体」と呼ぶことがある。)は、次のようにして得られる。蛍光体原料として、ルテチウム化合物、希土類元素Rの化合物、希土類元素Mの化合物、アルミニウム化合物及びガリウム化合物を用い、各化合物について上記一般式の割合になるように秤取し、混合するか、又はこれら蛍光体原料にフラックスを加えて混合し、原料混合物を得る。この原料混合物をルツボに充填後、還元性雰囲気中、1200〜1600℃で焼成し、冷却後、分散処理することにより、上記一般式で表される本発明の蛍光体を得る。
【0078】
蛍光体原料として、酸化物又は熱分解により酸化物となる炭酸塩、水酸化物等の化合物が好ましく用いられる。また、蛍光体原料として、蛍光体を構成する各金属元素を全部又は一部含む共沈物を用いることもできる。例えば、これらの元素を含む水溶液にアルカリ、炭酸塩等の水溶液を加えると共沈物が得られるが、これを乾燥又は熱分解して用いることができる。また、フラックスとしてはフッ化物、ホウ酸塩等が好ましく、蛍光体原料100重量部に対し0.01〜1.0重量部の範囲で添加する。焼成雰囲気は、付活剤のセリウムが酸化されない還元性雰囲気が好ましい。水素濃度が3.0体積%以下の水素・窒素の混合ガス雰囲気がより好ましい。焼成温度は1200〜1600℃が好ましく、目的の中心粒径の蛍光体を得ることができる。より好ましくは1300〜1500℃である。
【0079】
上記一般式において、Rは付活剤であり、Ceを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素であって、具体的には、Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lrである。RはCeのみでもよいが、CeとCe以外の希土類元素から選ばれる少なくとも1種以上の元素とを含んでいてもよい。Ce以外の希土類元素は、共付活剤として作用するためである。ここで、Rには、CeがR全量に対し70mol%以上含有されていることが好ましい。a値(R量)は、0.0001≦a≦0.5が好ましく、0.0001未満では発光輝度が低下し、0.5を越えても濃度消光によって発光輝度が低下する。より好ましくは、0.001≦a≦0.4、さらに好ましくは、0.005≦a≦0.2である。b値(M量)は、0≦b≦0.5が好ましく、より好ましくは0≦b≦0.4であり、さらに好ましくは0≦b≦0.3である。例えば、MがYの場合、b値が0.5を越えると長波長紫外線〜短波長可視光、特に360〜410nm励起による発光輝度が非常に低下してしまう。c値(Ga量)は、0≦c≦0.8が好ましく、より好ましくは0≦c≦0.5であり、さらに好ましくは0≦c≦0.3である。c値が0.8を越えると発光波長は短波長にシフトし、発光輝度が低下する。
【0080】
LAG系蛍光体の中心粒径は1〜100μmの範囲が好ましく、より好ましくは5〜50μmの範囲であり、さらに好ましくは5〜15μmの範囲である。1μmより小さい蛍光体は、凝集体を形成しやすい傾向にある。これに対し、5〜50μmの粒径範囲の蛍光体は、光の吸収率及び変換効率が高く、光変換部材も形成しやすい。このように、光学的に優れた特徴を有する粒径の大きな蛍光体を含有させることにより、発光装置の量産性も向上する。また、上記中心粒径値を有する蛍光体が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は20%〜50%が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され良好な色調を有する発光装置が得られる。
【0081】
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は300nm〜550nmの波長域の紫外線又は可視光により効率よく励起され発光することから、光変換部材に含有される蛍光体として有効に利用することができる。さらに、組成式の異なる複数種のLAG系蛍光体、又はLAG系蛍光体を他の蛍光体とともに用いることにより、発光装置の発光色を種々変化させることができる。半導体発光素子からの青色系の発光と、該発光を吸収し黄色系の発光する蛍光体からの発光との混色により、白色系の混色光を発光する従来の発光装置は、発光素子からの光の一部を透過させて利用するため、構造自体を簡略化できると共に出力向上を行いやすいという利点がある。その一方、上記発光装置は、2色の混色による発光であるため、演色性が十分でなく、改良が求められている。そこで、LAG系蛍光体を利用して白色系の混色光を発する発光装置は、従来の発光装置と比較してその演色性を向上させることができる。また、LAG系蛍光体は、YAG系蛍光体と比較して温度特性に優れるため、劣化、色ずれの少ない発光装置を得ることができる。
【0082】
(窒化物系蛍光体)
本発明で使用される蛍光体は、Nを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnから選択された少なくとも一つの元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、及びHfから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物系蛍光体も利用することができる。窒化物系蛍光体は、赤色系の光を発光可能な蛍光体であり、可視光、紫外線等又は他の蛍光体(例えば、YAG系蛍光体)からの発光を吸収することによって励起され発光する。つまり、この窒化物系蛍光体は、発光素子によって発光された光(例えば、青色光)の一部を吸収して、黄から赤色領域の光を発光する。窒化物系蛍光体を励起する発光スペクトルは、360〜495nmであることが好ましい。さらに、440〜480nm近傍の発光スペクトルを有することが好ましい。窒化物系蛍光体の発光スペクトルは、560〜700nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。さらに、600〜680nm近傍にピーク波長を有することが好ましい。例えば、Sr2Si5N8:Eu,Pr、Ba2Si5N8:Eu,Pr、Mg2Si5N8:Eu,Pr、Zn2Si5N8:Eu,Pr、SrSi7N10:Eu,Pr、BaSi7N10:Eu,Ce、MgSi7N10:Eu,Ce、ZnSi7N10:Eu,Ce、Sr2Ge5N8:Eu,Ce、Ba2Ge5N8:Eu,Pr、Mg2Ge5N8:Eu,Pr、Zn2Ge5N8:Eu,Pr、SrGe7N10:Eu,Ce、BaGe7N10:Eu,Pr、MgGe7N10:Eu,Pr、ZnGe7N10:Eu,Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb、BaGe7N10:Ceなどが挙げられるがこれに限定されない。
【0083】
特に本蛍光体は、Mnが添加された窒化物系蛍光体であることが好ましい。添加物であるMnは、Eu2+の拡散を促進し、発光輝度、エネルギー効率、量子効率等の発光効率の向上を図る。この蛍光体の基本構成元素は、一般式LXSiYN(2/3X+4/3Y):Eu若しくはLXSiYOZN(2/3X+4/3Y−2/3Z):Eu(Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれか。)で表される。一般式中、X及びYは、X=2、Y=5又は、X=1、Y=7であることが好ましいが、任意のものも使用できる。具体的には、基本構成元素は、Mnが添加された(SrXCa1−X)2Si5N8:Eu、Sr2Si5N8:Eu、Ca2Si5N8:Eu、SrXCa1−XSi7N10:Eu、SrSi7N10:Eu、CaSi7N10:Euで表される蛍光体を使用することが好ましいが、この蛍光体の組成中には、Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種以上が含有されていてもよい。Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれかである。SrとCaは、所望により配合比を変えることができる。蛍光体の組成にSiを用いることにより安価で結晶性の良好な蛍光体を提供することができる。
【0084】
次に、本発明に係る蛍光体((SrXCa1−X)2Si5N8:Eu)の製造方法を説明するが、本製造方法に限定されない。
【0085】
まず、原料のSr、Caを粉砕し、窒素雰囲気中で窒化する。同様に、原料のSiを、窒素雰囲気中で窒化して、窒化ケイ素を得る。次に、Sr、Ca若しくはSr−Caの窒化物を粉砕する。Sr、Ca、Sr−Caの窒化物を、アルゴン雰囲気中、若しくは、窒素雰囲気中、グローブボックス内で粉砕を行う。同様に、原料のSiを粉砕し窒化したSiの窒化物、Euの化合物Eu2O3を粉砕する。上記原料中には、Mg、Sr、Ca、Ba、Zn、B、Al、Cu、Mn、Cr、O及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種以上が含有されていてもよい。また、Mg、Zn、B等の上記元素を以下の混合工程において、配合量を調節して混合することもできる。最後に、Mnが添加されたSr、Ca、Sr−Caの窒化物、Siの窒化物、Euの化合物Eu2O3の混合物をアンモニア雰囲気中で、焼成する。焼成により、Mnが添加された(SrXCa1−X)2Si5N8:Euで表される蛍光体を得ることができる。
【0086】
焼成は、管状炉、小型炉、高周波炉、メタル炉などを使用することができる。焼成温度は、1200から1700℃の範囲で焼成を行うことができるが、1400から1700℃の焼成温度が好ましい。焼成は、徐々に昇温を行い1200から1500℃で数時間焼成を行う一段階焼成を使用することが好ましいが、800から1000℃で一段階目の焼成を行い、徐々に加熱して1200から1500℃で二段階目の焼成を行う二段階焼成(多段階焼成)を使用することもできる。
【0087】
(アルカリ土類金属珪酸塩)
本実施の形態における発光装置は、発光素子が発光した光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光する蛍光体として、ユウロピウムで付活されたアルカリ土類金属珪酸塩を有することもできる。アルカリ土類金属珪酸塩は、青色領域の光を励起光とし、暖色系の混色光を発光する発光装置とすることができる。該アルカリ土類金属珪酸塩は、以下のような一般式で表されるアルカリ土類金属オルト珪酸塩が好ましい。
(2−x−y)SrO・x(Ba,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
(2−x−y)BaO・x(Sr,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0.01<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
ここで、好ましくは、a、b、cおよびdの値のうち、少なくとも一つが0.01より大きい。
【0088】
本実施の形態における発光装置は、アルカリ土類金属塩からなる蛍光体として、上述したアルカリ土類金属珪酸塩の他、ユウロピウムおよび/またはマンガンで付活されたアルカリ土類金属アルミン酸塩やY(V,P,Si)O4:Eu、または次式で示されるアルカリ土類金属−マグネシウム−二珪酸塩を有することもできる。
【0089】
Me(3−x−y)MgSi2O3:xEu,yMn(式中、0.005<x<0.5、0.005<y<0.5、Meは、Baおよび/またはSrおよび/またはCaを示す。)
次に、本実施の形態におけるアルカリ土類金属珪酸塩からなる蛍光体の製造工程を説明する。
【0090】
アルカリ土類金属珪酸塩の製造のために、選択した組成に応じて出発物質アルカリ土類金属炭酸塩、二酸化珪素ならびに酸化ユウロピウムの化学量論的量を密に混合し、かつ、蛍光体の製造に常用の固体反応で、還元性雰囲気のもと、温度1100℃および1400℃で所望の蛍光体に変換する。この際、0.2モル未満の塩化アンモニウムまたは他のハロゲン化物を添加することが好ましい。また、必要に応じて珪素の一部をゲルマニウム、ホウ素、アルミニウム、リンで置換することもできるし、ユウロピウムの一部をマンガンで置換することもできる。
【0091】
上述したような蛍光体、即ち、ユウロピウムおよび/またはマンガンで付活されたアルカリ土類金属アルミン酸塩やY(V,P,Si)O4:Eu、Y2O2S:Eu3+の一つまたはこれらの蛍光体を組み合わせることによって、所望の色温度を有する発光色および高い色再現性を得ることができる。
【0092】
(その他の蛍光体)
本実施の形態において、蛍光体として紫外から可視領域の光により励起されて発光する蛍光体も用いることができ、具体例として、以下の蛍光体が挙げられる。
(1)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体;例えば、M5(PO4)3(Cl、Br):Eu(但し、MはSr、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種)、Ca10(PO4)6ClBr:Mn,Euなどの蛍光体。
(2)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体;例えば、BaMg2Al16O27:Eu、BaMg2Al16O27:Eu,Mn、Sr4Al14O25:Eu、SrAl2O4:Eu、CaAl2O4:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Mnなどの蛍光体。
(3)Euで付活された希土類酸硫化物蛍光体;例えば、La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Euなどの蛍光体。
(4)(Zn、Cd)S:Cu、Zn2GeO4:Mn、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、(Mg、Ca、Sr、Ba)Ga2S4:Eu、Ca10(PO4)6FCl:Sb,Mn、や(5)Euで付活された有機錯体蛍光体。
【0093】
また、これらの蛍光体は、一層からなる波長変換部材中に単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。さらに、二層以上が積層されてなる波長変換部材中にそれぞれ単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。
【0094】
[拡散剤]
更に、本発明において、封止部材中に蛍光物質に加えて拡散剤を含有させても良い。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素およびそれらの混合物が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。
【0095】
ここで本明細書において拡散剤とは、中心粒径が1nm以上5μm未満のものをいう。1μm以上5μm未満の拡散剤は、蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることにより生じやすい色ムラを抑制することができ好ましい。一方、1nm以上1μm未満の拡散剤は、発光素子からの光波長に対する干渉効果が低い反面、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。これにより、蛍光物質含有の樹脂などを所望の場所に滴下することにより波長変換部材を形成させる場合、シリンジ内において樹脂中の蛍光物質をほぼ均一に分散させその状態を維持することが可能となり、比較的取り扱いが困難である粒径の大きい蛍光物質を用いた場合でも歩留まり良く生産することが可能となる。このように本発明における拡散剤は粒径範囲により作用が異なり、使用方法に合わせて選択若しくは組み合わせて用いることができる。
【0096】
[フィラー]
更に、本発明において、封止部材中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が5μm以上100μm以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。更に、封止材料の流動性を長時間一定に調整することが可能となり、所望とする位置に封止部材を形成することができ、歩留まり良く量産することが可能となる。
【0097】
また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び/又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書中における「類似の粒径」とは、各粒子それぞれの中心粒径の差が20%未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度(円形度=粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ/粒子の投影の周囲長さ)の値の差が20%未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光物質を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。
【0098】
例えば、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が15μm〜50μm、より好ましくは20μm〜50μmとすることができる。このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。
【0099】
[導電性ワイヤ]
本形態において、第二の導電性部材として利用することができる導電性ワイヤは、導体配線とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては0.01cal/(s)(cm2)(℃/cm)以上が好ましく、より好ましくは0.5cal/(s)(cm2)(℃/cm)以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤの直径は、好ましくは、Φ10μm以上、Φ45μm以下である。このような導電性ワイヤとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤが挙げられる。このような導電性ワイヤは、導体配線に形成させたワイヤーボンディング領域と、外部の電極(パッケージに施された配線パターンなど)と、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
【0100】
[透光性部材]
本形態にかかる半導体装置は、半導体素子、導電性部材および封止部材を外部環境から保護し、発光素子や受光素子の配光性および集光性を制御する光学形状を有する透光性部材を備えることができる。ここで、透光性部材の形状は、受光素子への集光性や発光素子からの光の配光性を制御するため、種々の形状とされる。また、透光性部材の材料は、ガラスのような透光性無機部材、アクリル樹脂、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性に優れた樹脂が選択される。
【0101】
本形態における透光性部材の一例として、透光性部材の一部を空洞(中空)にし、かつ均一な厚みでドーム形状としたレンズが挙げられる。このとき、空洞の部分には空気あるいは窒素ガスのような不活性気体が封入されることが好ましい。特に、窒素ガスのような不活性気体を封入することにより、放熱性を向上させるために金属粒子が含有された導電性接着剤の品質劣化を防止することができる。例えば、保護素子など裏面電極を有する半導体素子の導電性接着剤として利用されるAgペーストのマイグレーションを抑制し、信頼性の高い発光装置とすることができる。また、半導体素子は、空洞の部分に収納され、光学部材と支持基板とにより気密封止される。したがって、発光素子から出射した光は、上記不活性気体を媒質としてレンズの発光観測面から出射する。これにより、発光装置として上記空洞部分に収納された光源(発光素子)の部分が見かけ上、大きくならない様にすることができる。つまり、ガラスや樹脂などが満たされ、中空部が存在しない透光性部材は、それら自体が凸レンズとして機能し、見かけ上光源サイズが大きくなり、反射面のような他の光学部材に対する発光面が大きくなる。これを用いて所定の配光特性を実現させるためにはより大きな光学系が必要となる。一方、中空とすることにより、他の光学部材に対する発光面を比較的小さくとることができ、配光性をより制御しやくすなり、優れた配光性を得ることができる。
【実施例1】
【0102】
以下、本発明に係る一実施例について詳述する。なお、本発明は、以下に示す発光装置の実施例のみに限定されることなく、受光装置など他の半導体装置に適用できることは言うまでもない。
【0103】
図1は、本実施例における発光装置の模式的な断面図を示す。また、図2は、本実施例における発光装置の模式的な上面図を示す。なお、図1は、図2のC−Cにおける断面図である。本実施例における発光装置は、2つの半導体発光素子が同一の支持基板(本実施例では、「サブマウント」と呼ぶこととする。)にフリップチップ実装され、該半導体発光素子が蛍光物質を含有し、X方向に開口部を有する封止部材にて被覆されてなる。その開口部は、半導体発光素子とサブマウントとの間に生じた間隙に繋がっている。
【0104】
さらに、図8に示されるように、本実施例における発光装置は、その出射光を所定の方向に導くための反射面を有するリフレクタ202を備えた照明装置とすることができる。本実施例における発光装置から出射光は、リフレクタ202によって集光され、図中Aの方向に反射される。リフレクタ202は、載置されたサブマウント103の導体配線に導電性ワイヤ105を介して接続される給電手段を有する実装基板201に固定される。図9は本実施例にかかる発光装置をZ方向から見たときの反射面と発光素子との関係を模式的に示す図である。ここでは、簡略化のため、封止部材に被覆された発光素子はZ方向から見て円形となるような側面について示している。発光素子の中心を基準として、発光素子の側面が反射面と対向している領域を領域Iとし、該領域I以外、つまり発光素子の側面が反射面と対向していない領域を領域IIとして示している。このうち、領域IIに対して導電性ワイヤ105の全体を配置させることにより、導電性ワイヤ105が発光装置の配光性に悪影響を及ぼすことなくすることができる。
【0105】
支持基板に施された導体配線は、半導体発光素子に対向する領域から導線性ワイヤが接続される領域IIの方向にかけてサブマウントの素地面が露出され絶縁領域104bとされており、正負一対の配線パターンとされている。また、サブマウント103の素地面を底面とし、導体配線の厚み(数十μm)分だけの側壁を有する凹部が形成されている。本実施例における封止部材の開口部は、該凹部にそって形成されている。なお、図2において、開口部108が形成されている四カ所を矢印で示している。また、開口部の開口方向は、図2および図8におけるX−Y座標のX方向と同じである。
【0106】
本実施例におけるサブマウント103は、窒化アルミニウムを材料とする板材に、導体配線がAuを材料とするスパッタリングにより形成されてなる。本実施例における導体配線は、図3に示されるように、LEDチップの正電極が対向する正の導体配線104a、およびLEDチップの負電極が対向する負の導体配線104cが絶縁部104cにより絶縁分離され、互いの導体配線の一部を包囲するように形成されている。サブマウントに配される正(+)極側の導体配線は、外部電極(図示せず)の正極側に導電性部材を介して接続される領域から、上記複数のLEDチップのうち一方のLEDチップ(A)のp側台座電極に対向する位置を経由して他方のLEDチップ(B)のp側台座電極に対向する位置まで延伸している。同様に、サブマウント103に配される負(−)極側の導体配線は、LEDチップ(A)およびLEDチップ(B)の一方のn側台座電極に対向する領域から、外部電極(図示せず)の負極側に接続される領域、およびLEDチップ(B)の他方のn側台座電極に対向する領域を経由して、LEDチップ(A)の他方のn側台座電極に対向する領域まで延伸している。したがって、サブマウント103に形成される導体配線は、LEDチップの電極形成面と対向する領域において、LEDチップの実装方向から見ると、正負の導体配線が互いに挟まれる状態で形成されており、2つのLEDチップは並列接続とされる。
【0107】
また、サブマウント103に垂直な方向から見て、正極側の導体配線の外縁は、負極側の導体配線の方向に凸な多数の円弧が配列された形状を有し、一方、負極側の導体配線の外縁部は、正極側の凸な円弧列の外縁に対応するような凹形状を有する。
【0108】
図5は、本実施例における半導体発光素子であるLEDチップの上面図を示す。本実施例におけるLEDチップは、活性層として単色性発光ピークが可視光である460nmのIn0.2Ga0.8N半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より詳細に説明すると、発光素子であるLEDチップは、洗浄させたサファイア基板上にTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてSiH4とCp2Mgを切り替えることによってn型窒化物半導体やp型窒化物半導体となる層を形成させる。
【0109】
本実施例のLEDチップの素子構造は、透光性基板であるサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるGaN層、Siドープのn型電極が形成されたn型コンタクト層となるn型GaN層、アンドープの窒化物半導体であるGaN層を積層させ、さらに、バリア層となるGaN層、井戸層となるInGaN層を1セットとして5セット積層して最後にバリア層となるGaN層を積層させて活性層とし、該活性層は多重量子井戸構造としてある。さらに、活性層上にはMgがドープされたp型クラッド層としてAlGaN層、Mgがドープされたp型コンタクト層であるp型GaN層を順次積層させた構成としてある。なお、サファイア基板上には低温でGaN層を形成させバッファ層とさせてある。また、p型半導体は、成膜後400℃以上でアニールさせてある。
【0110】
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、p型コンタクト層およびn型コンタクト層の各表面を露出させる。次に、p型コンタクト層上にITO(インジウムと錫の複合酸化物)を材料とするスパッタリングを行い、p型コンタクト層のほぼ全面にストライプ状の拡散電極が設けられる。このような電極とすることにより、拡散電極を流れる電流がp型コンタクト層の広範囲に広がるようにし、およびLEDチップの発光効率を向上させることができる。
【0111】
さらに、p側拡散電極およびn型コンタクト層の一部に対し、Rh/Pt/AuおよびW/Pt/Auを材料とするスパッタリングをそれぞれ順に行って、金属層として積層させ、p側台座電極とn側台座電極とする。最後に、半導体を積層し上記電極が形成されたウエハをダイシングによりチップ化し、□=1mm×1mmのLEDチップとする。本実施例において、ストライプ状に露出されたn型半導体に形成されたn型台座電極は、LEDチップの対向する二辺の上で絶縁性の保護膜(SiO2)から露出される。また、エッチングにより露出されたn型半導体は、LEDチップの上面方向からみて、n型台座電極が露出される隅部の位置からLEDチップの中央方向に向かって細くなった括れ部分を有する。また、互いに対向する一対の括れ部分を結ぶように延伸部を有する。さらに、その延伸部を挟むような位置に、p側の半導体層、拡散電極あるいはp側台座電極が保護膜から露出されている。
【0112】
LEDチップは、そのp側およびn側台座電極がAuバンプを介して正負の導体配線とそれぞれ対向され、荷重、超音波および熱をかけることにより、バンプを溶着し、サブマウントの導体配線に接合される。このとき、溶着されたバンプの厚みが20〜25μmである。p側台座電極と正の導体配線を接続するバンプの個数は、三つであり、p側台座電極の露出面が四列あるので、正の導体配線に配置されるバンプの数は、合わせて12個である。また、n側台座電極と負の導体配線を接続するバンプの個数は、六つである。本実施例における「半導体素子と支持基板との間の空隙」とは、発光素子とサブマウントとの間において、バンプが存在していない箇所の空間をいうものとする。さらに、その空間は、サブマウント103の絶縁部104bを介して封止部材の開口部108に繋がっている。
【0113】
封止材料に含有させる蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させ、これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。さらにフラックスとしてフッ化バリウムを混合した後坩堝に詰め、空気中1400℃の温度で3時間焼成することにより焼成品が得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が8μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。光変換部材の材料は、シリコーン樹脂に、上記蛍光物質を20〜75wt%含有させ、自転公転ミキサーにて5分間攪拌を行い、蛍光体と結着剤であるシリコーン樹脂との硬化性組成物とする。さらに、その硬化性組成物は、フリップチップ実装された半導体発光素子の発光観測側主面であるサファイア基板面に対し、スクリーン印刷する。
【0114】
図5および図6は、LEDチップにスクリーン印刷する工程を示す上面図である。以下、本実施例における硬化性組成物の印刷方法について述べる。
【0115】
本実施例において、硬化性組成物に含まれる樹脂材料の流動性を示す指標として「FLOW値」を定義する。本実施例における「FLOW値」とは、水平面に置かれた樹脂材料が所定の温度において流動して広がる領域の広さを数値化したものとする。即ち、本実施例におけるシリコーン樹脂のFLOW値は、水平面に載置された1gのシリコーン樹脂を150℃で1時間熱したとき、シリコーン樹脂が水平方向に広がった領域の最大径(mm)とする。
【0116】
工程1.まず、LEDチップの周囲にメタルマスクを配置させ、図5に示されるように、矩形のLEDチップの角からLEDチップの対角方向にスキージを移動させることにより、LEDチップの側面方向に硬化性組成物を印刷する。本工程におけるFLOW値は、8.5mmから11mmである。この値は、メタルマスクを外した後、硬化性組成物にタレが発生しないように調製された値である。また、図2の矢印の位置に形成される開口部の形状が崩れることがないように調製された値である。
【0117】
工程2.次に、図6に示されるように、LEDチップの角からLEDチップの対角方向にスキージを移動させ、LEDチップの主面方向に硬化性組成物を印刷する。本工程における硬化性組成物は、側面方向に配置させた硬化性組成物よりFLOW値が大きく、16.5mmから19mmとする。このようにFLOW値を設定することにより、硬化性組成物は容易にレベリングし、LEDチップ107の上面に形成される封止部材の発光観測面は平滑面となる。本実施例の形成方法によれば、LEDチップの側面と上面とでそれぞれ物性(レオロジー)の異なる硬化性組成物を配置することが容易にできる。即ち、LEDチップの側面にはタレの生じない硬化性組成物を塗布し、LEDチップの上面側にはレベリングし易い硬化性組成物を塗布することができる。したがって、LEDチップ107の全方位を均一な膜厚で被覆する封止部材を得ることができ、発光観測方位によって色度変化が少ない発光装置とすることができる。
【0118】
工程3.メタルマスクを取り外し、LEDチップ107の上面に配置された硬化性組成物の発光観測面側の表面がレベリングして平滑面となるまで所定の時間放置する。
【0119】
工程4.開口部の形状を保持させたままLEDチップ107に配置された硬化性組成物を150℃、1hrで硬化させることにより、層厚が70μmから80μmの封止部材得る。
【0120】
以上、説明したように、本実施例における発光装置は、熱による封止部材の変形が生じることなく、配光性などの光学特性に優れた発光装置とすることができる。
【実施例2】
【0121】
図10は、本実施例にかかる発光装置の模式的な斜視図である。また、図11は、本実施例にかかる発光装置の模式的な断面図である。本実施例にかかる発光装置300は、サブマウント303を載置するための基板305と、該基板305に固定される透光性部材301と、を有する発光装置である。その他は、上述の実施例1と同様に、封止部材に開口部を有する発光装置を形成する。また、基板305を実施例1における実装基板201に固定させ、照明装置とすることもできる。
【0122】
本実施例における透光性部材301は、蛍光物質を含有する封止部材で被覆されたLEDチップからの光の配光性を向上させるため、LEDチップに向かい合う側に凹部を設け、かつ均一な厚みでドーム形状とさせたガラスレンズである。さらに、透光性部材301は、基板305に対向する平面を有する端部306を備えており、その端部306がエポキシ樹脂などの接着剤304により基板305に固定される。これにより、透光性部材301の凹部内壁面と、基板305のサブマウント実装面とからなる中空の部分が形成される。また、発光素子および封止部材は、中空の部分に収納され、透光性部材301と基板305とにより気密封止されている。このとき、中空の部分に、水分を多く含む空気と置換して窒素ガスのような不活性気体を封入する。このように、窒素ガスのような不活性気体を封入することにより、放熱性を向上させるために金属粒子が含有された導電性接着剤の品質劣化を防止することができる。本実施例において、サブマウント303は、熱伝導性の高いAgペーストにて基板305に接着されており、Agのマイグレーションが抑制され、信頼性の高い発光装置とすることができる。
【0123】
本実施例において、LEDチップとサブマウント303との空隙は、封止部材302に設けられた開口部により、中空の部分と繋がっている。したがって、窒素ガスは、LEDチップとサブマウント303との空隙と、中空の部分との移動が自由にできる。そのため、本実施例における発光装置は、熱による封止部材の変形が生じることなく、配光性などの光学特性に優れた発光装置とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【0124】
本発明にかかる半導体装置は、封止部材の熱変形に伴う機能劣化がなく、信頼性の高い半導体装置として、高出力かつ高信頼性発光が求められる車両用灯具などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0125】
【図1】図1は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な断面図である。
【図2】図2は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な上面図である。
【図3】図3は、本発明の一実施例における支持基板を示す模式的な上面図である。
【図4】図4は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図5】図5は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図6】図6は、本発明の一実施例における発光装置の形成方法を示す模式的な上面図である。
【図7】図7は、本発明の一実施例における発光素子を示す模式的な上面図である。
【図8】図8は、本発明の一実施例における発光装置を利用した照明装置を示す模式的な断面図である。
【図9】図9は、本発明の一実施例における発光装置を利用した照明装置を示す模式的な上面図である。
【図10】図10は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な斜視図である。
【図11】図11は、本発明の一実施例における発光装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【0126】
100、300・・・発光装置
101・・・蛍光物質
102・・・封止部材
103・・・支持基板
104a・・・正の導体配線
104b・・・絶縁部
104c・・・負の導体配線
105・・・導電性ワイヤ
106・・・導電性部材
107・・・半導体発光素子
108・・・開口部
109・・・p側台座電極
110・・・n側台座電極
111・・・延伸部
112・・・括れ部
113・・・硬化性組成物
201・・・実装基板
202・・・リフレクタ
203・・・封止部材で被覆された半導体発光素子
301・・・透光性部材
304・・・接着剤
305・・・基板
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、
前記半導体素子は、前記支持基板との間に空隙を有するように実装されており、前記封止部材は、該空隙に繋がる開口部を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記支持基板は、前記半導体素子が接合されている主面側に凹部を有し、前記開口部は、該凹部と前記封止部材とからなる請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記半導体素子は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が第一の導電性部材により前記支持基板の導体配線に接合されており、前記凹部は、前記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁している請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第一の導電性部材は、バンプである請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記正負一対の配線パターンは、第二の導電性部材を介して外部の電極と接続する領域を有し、その領域の側に前記開口部を有する請求項1乃至4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第二の導電性部材は、導電性ワイヤである請求項5に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記封止部材は、前記半導体素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有する請求項1乃至6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されている請求項1乃至7に記載の半導体装置。
【請求項9】
導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する第一の工程と、
前記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を供給して該半導体素子を被覆し、その封止材料により前記空隙の一部を前記第二の外縁部の側に押出させ、前記第二の外縁部側の封止材料に開口部を形成させる第二の工程と、
前記開口部により、前記空隙と前記封止材料の外側の空間とを繋げた後、前記封止材料を固化させる第三の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させる第四の工程とを有する請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記半導体素子の第一の外縁部は、前記第二の外縁部に対して対角方向に位置する請求項9または10に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有する請求項9乃至11に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記第一の導電性部材は、バンプである請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記第二の導電性部材は、導電性ワイヤである請求項10乃至13に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
導体配線を有する支持基板に実装された半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置であって、
前記半導体素子は、前記支持基板との間に空隙を有するように実装されており、前記封止部材は、該空隙に繋がる開口部を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記支持基板は、前記半導体素子が接合されている主面側に凹部を有し、前記開口部は、該凹部と前記封止部材とからなる請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記半導体素子は、正負一対の電極を有し、該電極の少なくとも一方が第一の導電性部材により前記支持基板の導体配線に接合されており、前記凹部は、前記導体配線を正負一対の配線パターンに絶縁している請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第一の導電性部材は、バンプである請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記正負一対の配線パターンは、第二の導電性部材を介して外部の電極と接続する領域を有し、その領域の側に前記開口部を有する請求項1乃至4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第二の導電性部材は、導電性ワイヤである請求項5に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記封止部材は、前記半導体素子からの光により励起されて異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有する請求項1乃至6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体素子および封止部材は、中空の透光性部材により気密封止されている請求項1乃至7に記載の半導体装置。
【請求項9】
導体配線が施された支持基板と、該支持基板に接合された正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を被覆する封止部材とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の電極と、支持基板の導体配線とを第一の導電性部材にて接合し、該半導体素子と該支持基板との間に空隙を形成する第一の工程と、
前記支持基板に接合された半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部まで、封止材料を供給して該半導体素子を被覆し、その封止材料により前記空隙の一部を前記第二の外縁部の側に押出させ、前記第二の外縁部側の封止材料に開口部を形成させる第二の工程と、
前記開口部により、前記空隙と前記封止材料の外側の空間とを繋げた後、前記封止材料を固化させる第三の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記第二の外縁部側の導体配線に第二の導電性部材を接続させる第四の工程とを有する請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記半導体素子の第一の外縁部は、前記第二の外縁部に対して対角方向に位置する請求項9または10に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記支持基板は、半導体素子の第一の外縁部から第二の外縁部の方向に延伸する凹部を有する請求項9乃至11に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記第一の導電性部材は、バンプである請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記第二の導電性部材は、導電性ワイヤである請求項10乃至13に記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
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【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2006−66700(P2006−66700A)
【公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−248318(P2004−248318)
【出願日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【出願人】(000226057)日亜化学工業株式会社 (993)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【出願人】(000226057)日亜化学工業株式会社 (993)
【Fターム(参考)】
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