JP2015012212A

JP2015012212A - 発光チップ

Info

Publication number: JP2015012212A
Application number: JP2013137781A
Authority: JP
Inventors: 卓岡村; Taku Okamura; 太朗荒川; Taro Arakawa; 由里子山上; Yuriko Yamagami
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-01-19
Also published as: US20150001548A1; DE102014212694A1

Abstract

【課題】光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光チップを提供すること。【解決手段】本発明の発光チップ（１２）は、サファイア基台（１４１）及びサファイア基台の表面（１４１ａ）に形成された発光層を表面（１４ａ）に備えたチップ（１４）と、発光層からの出射光を透過する透光性樹脂（１６）によってサファイア基台の裏面（１４１ｂ）に貼着された透光性部材（１５）とを備えている。透光性部材は、発光層からの出射光を透過する。透光性部材は、サファイア基台の屈折率よりも低い材質で形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光チップに関する。

ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等を含む発光デバイスが実用化されている。これらの発光デバイスは、通常、電圧の印加によって光を放出する発光層が形成されたチップを有する発光チップを備える。かかるチップの製造は、先ず、結晶成長用基台上における格子状の分割予定ラインで区画された各領域に、発光層としてエピタキシャル層（結晶層）を成長させる。その後、結晶成長用基台を分割予定ラインに沿って分割して個片化することで、個々の発光チップ用のチップが形成される。

発光チップにおいて、緑や青色の光を出射する発光層がＩｎＧａＮ系のチップでは、サファイアが結晶成長用基台に一般的に用いられ、このサファイア基台上に順次ｎ型ＧａＮ半導体層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させる。そして、ｎ型ＧａＮ半導体層とｐ型ＧａＮ半導体層とのそれぞれに外部取り出し用電極が形成される。

かかるチップの裏面側（サファイア基台側）をリードフレームに固定し、チップの表面側（発光層側）をレンズ部材で覆うことにより、発光ダイオードは形成される。このような発光ダイオードでは、輝度の向上が重要な課題とされており、これまでにも光の取り出し効率を高めるための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１０６７０号公報

ところで、電圧の印加によって発光層で生じる光は、主に、発光層を含む積層体の２つの主面（表面及び裏面）から放出される。例えば、積層体の表面（レンズ部材側の主面）から放出された光は、レンズ部材等を通じて発光ダイオードの外部に取り出される。一方で、積層体の裏面（サファイア基台側の主面）から放出された光は、サファイア基台を伝播し、その一部は、サファイア基台とリードフレームとの界面等で反射して積層体に戻る。

例えば、切削時の加工性向上等を目的としてチップに薄いサファイア基台を用いると、積層体の裏面と、サファイア基台及びリードフレームの界面との距離は短くなる。この場合、サファイア基台とリードフレームとの界面で反射して積層体に戻る光の割合は、サファイア基台が厚い場合と比較して高くなる。積層体は光を吸収するので、このように積層体に戻る光の割合が高くなると、発光ダイオードの光の取り出し効率は低下してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光チップを提供することを目的とする。

本発明の発光チップは、基台及び基台の表面に形成された発光層を備えたチップと、基台の裏面に発光層からの出射光を透過する透光性樹脂により貼着された透光性部材と、から構成され、透光性部材は、発光層からの出射光を透過し且つ屈折率が基台よりも低い材質で形成されていること、を特徴とする。

この構成によれば、発光層から出射した光を透過させる透光性部材をチップの基台の裏面に接着したので、基台の裏面で反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、基台の側面や透光性部材から出る光の割合を多くすることができる。しかも、透光性部材の屈折率が基台の屈折率より低い材質で形成されているので、基台を透過した光の透光性部材への入射角に比べ、透光性部材に入射して屈折した光の屈折角を大きくすることができる。これにより、透光性部材に入射して屈折した光の進行方向を、透光性部材から出る光の割合が多くなるような向きにすることができ、反射によって発光層に戻る光の割合を低く抑え、光の取り出し効率を高めることができる。また、基台を薄くしても、透光性部材の厚さに応じて、反射光を発光層から外れた位置へ入射できるので、光の取り出し効率を低下させることなく薄い基台を利用でき、薄い結晶成長用基台による加工性を維持することができる。

また、本発明の発光チップでは、チップの基台はサファイアであり、発光層はＧａＮ半導体層から成ることとされても良い。この構成によれば、青色や緑色の光を放つ発光チップにおいて、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明によれば、光の取り出し効率を高めることができる新たな構成の発光チップを提供できる。

実施の形態１に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図である。実施の形態１に係る発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。比較構造に係る発光ダイオードにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。図４Ａは、実施の形態２に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図であり、図４Ｂは、実施の形態２に係る発光ダイオードの断面模式図である。図５Ａは、実施例、比較例１及び２の断面模式図であり、図５Ｂは、実施例、比較例１及び２の全放射束の測定結果を示すグラフである。

（実施の形態１）
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図であり、図２は、実施の形態１に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。図１に示すように、発光ダイオード１は、ベースとなるリードフレーム１１と、リードフレーム１１に支持固定される発光チップ１２とを備えている。

リードフレーム１１は、金属等の材料で円柱状に形成されており、一方の底面に相当する裏面側には、導電性を有する２本のリード部材１１１ａ，１１１ｂが設けられている。リード部材１１１ａ，１１１ｂは互いに絶縁されており、それぞれ発光ダイオード１の正極、負極として機能する。このリード部材１１１ａ，１１１ｂは、配線（不図示）等を通じて外部の電源（不図示）に接続される。

リードフレーム１１の他方の底面に相当する表面１１ａには、互いに絶縁された２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂが所定の間隔をあけて配置されている。接続端子１１２ａとリード部材１１１ａとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。また、接続端子１１２ｂとリード部材１１１ｂとは、リードフレーム１１の内部において接続されている。このため、接続端子１１２ａ，１１２ｂの電位は、それぞれ、リード部材１１１ａ，１１１ｂの電位と同程度になる。

発光チップ１２は、リードフレーム１１の表面１１ａであって、接続端子１１２ａと接続端子１１２ｂとの間に配置されている。図２に示すように、発光チップ１２は、チップ１４と、このチップ１４の裏面１４ｂに透光性樹脂１６によって接着された透光性部材１５とを有する。チップ１４は、平面形状が矩形状のサファイア基台１４１と、サファイア基台１４１の表面１４１ａに設けられた積層体１４２とを備えている。積層体１４２は、ＧａＮ系の半導体材料を用いて形成される複数の半導体層（ＧａＮ半導体層）を含む。

積層体１４２は、電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）、発光層となる半導体層（例えば、ＩｎＧａＮ層）、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）を順にエピタキシャル成長させることで形成される。また、サファイア基台１４１には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のそれぞれと接続され、積層体１４２に電圧を印加する２個の電極（不図示）が形成される。なお、これらの電極は、積層体１４２に含まれても良い。

透光性部材１５は、発光層から出射された光を透過する材料で形成されている。本実施の形態では、透光性部材１５は、サファイア基台１４１よりも屈折率が低い材質となるガラス（例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等）で形成されている。サファイア基台１４１の屈折率として、１．７、ガラスの屈折率として、１．５を例示できる。なお、チップ１４において、サファイア基台１４１に代えて他の材質により基台を形成した場合、基台の屈折率より低い屈折率となる材質で透光性部材１５を形成すればよい。透光性部材１５の表面１５ａの面積は、サファイア基台１４１の裏面１４１ｂの面積より大きくなっている。また、透光性部材１５は、サファイア基台１４１と同等以上の厚みを有することが望ましい。

透光性樹脂１６は、発光層から出射された光を透過するダイボンディング剤等の樹脂材料からなり、チップ１４の裏面１４ｂの全体に設けられてチップ１４の裏面１４ｂと透光性部材１５の表面１５ａとを貼着している。

リードフレーム１１に設けられた２個の接続端子１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ、導電性を有するリード線１７ａ，１７ｂを介して、発光チップ１２の２個の電極に接続されている。これにより、リード部材１１１ａ，１１１ｂに接続される電源の電圧が積層体１４２に印加される。積層体１４２に電圧が印加されると、発光層となる半導体層には、ｎ型半導体層から電子が流れ込むと共に、ｐ型半導体層から正孔が流れ込む。その結果、発光層となる半導体層において電子と正孔との再結合が生じ、所定の波長の光が放出される。本実施の形態では、ＧａＮ系の半導体材料を用いて発光層となる半導体層を形成しているので、ＧａＮ系の半導体材料のバンドギャップに相当する青色や緑色の光が放出される。

リードフレーム１１の表面１１ａ側の外周縁には、チップ１４の表面１４ａ側を覆うドーム状のレンズ部材１８が取り付けられている。レンズ部材１８は、所定の屈折率を有する樹脂等の材料で形成されており、チップ１４の積層体１４２から出射される光を屈折させ、発光ダイオード１の外部の所定方向へと導く。このように、チップ１４から出射された光は、レンズ部材１８を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。

次に、実施の形態１に係る発光ダイオード１による輝度改善効果について、図３の比較構造に係る発光ダイオードを参照しながら説明する。図３は、実施の形態１と比較するための比較構造に係る発光ダイオードの発光チップから光が放出される様子を示す断面模式図である。比較構造に係る発光ダイオードは、透光性部材が変わる点を除き、実施の形態１に係る発光ダイオード１と共通の構成を備える。すなわち、比較構造に係る透光性部材２５は、サファイア基台１４１よりも屈折率が高い材質により形成されている。また、平面形状が矩形状のサファイア基台２４１と、サファイア基台２４１の表面２４１ａに設けられた積層体２４２とを備えるチップ２４が透光性樹脂２６によって透光性部材２５に接着される。

図２に示すように、実施の形態１に係る発光ダイオード１（図１参照）において、発光層となる半導体層で生じた光は、主に、積層体１４２の表面１４２ａ（すなわち、発光チップ１４の表面１４ａ）、及び裏面１４２ｂから放出される。積層体１４２の表面１４２ａから放出された光（例えば、光路Ａ１）は、上述のように、レンズ部材１８（図１参照）等を通じて発光ダイオード１の外部に取り出される。一方で、例えば、積層体１４２の裏面１４２ｂから出射されて光路Ａ２を伝播する光は、サファイア基台１４１と透光性部材１５との界面である発光チップの裏面１４ｂに入射角αで入射し、透光性部材１５を透過する（光路Ａ３）。光路Ａ３を伝播する光は、透光性部材１５の屈折率がサファイア基台１４１より低いので、透光性部材１５を入射するときに屈折し、その屈折角βは光路Ａ２の入射角αより大きい角度となる。よって、光路Ａ３を伝播する光の進行方向は、光路Ａ２を伝播する光に比べ、図２中横方向に近付くようになり、透光性部材１５の側面に入射し、外部へ放出される。

これに対し、図３に示すように、比較構造に係る発光チップ２２の光路Ｂ１，Ｂ２は、実施の形態１に係る発光チップ１２の光路Ａ１，Ａ２と同様となり、光路Ｂ２，Ａ２の各入射角αも同角度となるが、透光性部材２５を透過して光路Ｂ３を伝播する光は、実施の形態１の光路Ａ３と進行方法が異なる。つまり、光路Ｂ３を伝播する光の屈折角γは、光路Ｂ２の入射角αより小さい角度となり、実施の形態１における光路Ａ３の屈折角βより小さい角度となる。従って、光路Ｂ３を伝播する光の進行方向は、光路Ｂ２を伝播する光に比べ、図３中縦方向に近付くようになる。光路Ｂ３を伝播する光は、リードフレーム１１の表面１１ａで反射され（光路Ｂ４）、チップ２４のサファイア基台２４１に入射される（光路Ｂ５）。光路Ｂ５を伝播する光は、サファイア基台２４１を透過してから積層体２４２に入射して吸収され、外部に取り出すことができなくなる。

以上のように、実施の形態１に係る発光ダイオード１によれば、サファイア基台１４１より透光性部材１５の屈折率が低くなるので、積層体１４２から出射して光路Ａ２と同様に伝播する光を、光路Ａ３と同様に透光性部材１５で屈折させて外部に取り出すことができる。従って、光路Ａ２と同様に伝播する光は、比較構造の光路Ｂ２と同様に伝播する光に比べ、リードフレーム１１の表面１１ａで反射して積層体１４２に戻る光の割合を低く抑えることができる。これにより、透光性部材１５から出る光の割合を多くでき、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。

なお、サファイア基台は硬くて加工が容易でないので、薄いサファイア基台を用いて加工性を高めておくことが望ましい。上記の発光ダイオード１では、サファイア基台１４１を薄くしても透光性部材１５によって光の取り出し効率を高く維持できる。つまり、光の取り出し効率を維持するためにサファイア基台１４１を厚くして加工性を犠牲にする必要はない。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。なお、実施の形態２において、実施の形態１と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図４Ａは、実施の形態２に係る発光ダイオードの構成例を模式的に示す斜視図であり、図４Ｂは、実施の形態２に係る発光ダイオードの断面模式図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施の形態２に係る発光ダイオード３は、パッケージ３０の凹部３１における底面に形成された実装面３２に発光チップ１２を支持固定してなる。実装面３２には、互いに絶縁された２個の接続電極３２ａ，３２ｂが所定の間隔をあけて配置されている。

実施の形態２の発光チップ１２は、実施の形態１の発光チップ１２と同様に、透光性樹脂１６で接着されたチップ１４及び透光性部材１５を備え、その上下の向きが実施の形態１に対して反転した状態で固定されている。実施の形態２におけるチップ１４の表面１４ａに設けられた電極（不図示）は、バンプと呼ばれる突起状の端子によって形成され、チップ１４の表面１４ａが実装面３２に支持固定されることで、接続電極３２ａ，３２ｂに接続され、発光チップ１２がフリップチップ実装される。

次に、上記の実施の形態に係る発光ダイオードの輝度改善効果を確認するために行った実験について説明する。本実験では、実施例、比較例１及び２として、図５Ａに示す構成となる発光ダイオード５を作成した。発光ダイオード５は、実装基板５１と、実装基板５１に透光性樹脂（不図示）を介して接着された透光性部材５５と、透光性部材５５に透光性樹脂（不図示）を介して接着されたチップ５４とにより構成した。

透光性部材５５は、表面及び裏面の面積（縦×横）を０．８ｍｍ×０．８ｍｍ、厚みを１５０μｍに形成した。透光性部材５５の材質は、実施例、比較例１及び２で、それぞれ異ならせた。実施例の透光性部材５５は、屈折率１．５、透過率９７．２５％のガラスとした。比較例１の透光性部材５５は、屈折率１．７、透過率９５．４９％のサファイアとし、比較例２の透光性部材５５は、屈折率２．１、透過率９１．８９％のＬＴ（タンタル酸リチウム）とした。透過率は、チップ５４を実装基板５１に実装させた発光ダイオードを発光させて透光性部材５５を透過する光を測定し、当該発光ダイオードの光を直接測定した値を基準とする百分率とした。

実施例、比較例１及び２の全てにおいて、実施の形態１のチップ１４（図２参照）と同様となる同一仕様の発光チップ５４を用いた。具体的には、発光チップ５４は２インチウェハ（Ｔｅｋｃｏｒｅ製）を分割してチップ化したものであり、表面及び裏面の面積（縦×横）が７．９７５ｍｍ×７．７２５ｍｍのサファイア基台に、ＧａＮ半導体層からなる発光層を含む積層体が形成されたものとした。また、実施例、比較例１及び２の全てにおいて透光性樹脂（不図示）は、光を透過するダイボンディング剤（信越化学製、ＫＥＲ−Ｍ２）を用いた。

本実験では、実施例、比較例１及び２の発光ダイオード５の全放射束を測定した。具体的には、各発光ダイオード５から放射される全ての光の強度（パワー）の合計値を測定した（測定器：テクノローグ製、ＬＸ４６５１Ｃ）。図５Ｂは、測定結果を示すグラフである。図５Ｂにおいて、縦軸は、各発光ダイオードの全放射束（ｍＷ）、又は屈折率を示している。

図５Ｂに示すように、実施例は、比較例１及び２に比べ、光の強度となる全放射束が０．４５〜１．１１ｍｗ大きくなっており、光の取り出し効率を高めることができる。また、図５Ｂの結果から、屈折率が低くなる程、全放射束が大きくなり、光の取り出し効率が高まるという傾向を確認できた。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、サファイア基台とＧａＮ系の半導体材料とを用いるチップ１４を例示したが、結晶成長用基台としてＧａＮ基板を用いる等、結晶成長用基台及び半導体材料は実施の形態に限定されない。なお、加工性を高めるためには、サファイア基台等の結晶成長用基台を薄くすると良いが、結晶成長用基台は必ずしも薄くなくて良い。

また、上記実施の形態では、ｎ型半導体層、発光する半導体層、及びｐ型半導体層を順に設けた積層体１４２を例示したが、積層体１４２の構成はこれに限定されない。積層体１４２は、少なくとも、電子と正孔との再結合により光を放出できるように構成されていれば良い。

また、チップ１４は、赤外光を発するチップ（ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰなど）としてもよく、この場合、透光性部材１５が赤外光を透過する材質で形成することで、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、チップ１４が紫外光を発し、透光性部材１５が紫外光を透過する材質で形成した場合も、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明は、発光層が形成されたチップを備える発光チップの光取り出し効率を高めるために有用である。

１発光ダイオード
１２発光チップ
１４チップ
１４１サファイア基台
１５透光性部材
１６透光性樹脂

Claims

基台及び該基台の表面に形成された発光層を備えたチップと、該基台の裏面に該発光層からの出射光を透過する透光性樹脂により貼着された透光性部材と、から構成され、
該透光性部材は、該発光層からの出射光を透過し且つ屈折率が該基台よりも低い材質で形成されていること、を特徴とする発光チップ。
該チップの該基台はサファイアであり、該発光層はＧａＮ半導体層から成ること、を特徴とする請求項１記載の発光チップ。