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JP3241338B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JP3241338B2
JP3241338B2 JP1753599A JP1753599A JP3241338B2 JP 3241338 B2 JP3241338 B2 JP 3241338B2 JP 1753599 A JP1753599 A JP 1753599A JP 1753599 A JP1753599 A JP 1753599A JP 3241338 B2 JP3241338 B2 JP 3241338B2
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semiconductor light
epoxy resin
semiconductor
emitting device
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雅史 蔵本
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Nichia Corp
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Publication date
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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、バックライト、照
光式操作スイッチの光源、ディスプレイや各種インジケ
ータ等に使用することができる半導体発光装置に係り、
特に長期間の使用に対しても透過率を維持しつつ、高輝
度に発光が可能な半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】LEDやLD(lazer diode)等の半導
体発光素子は、小型で効率よく鮮やかな色の発光をす
る。また、半導体素子であるため球切れがない。駆動特
性が優れ、振動やON/OFF点灯の繰り返しに強いという特
徴を有する。そのため、各種インジケータや種々の光源
として利用されている。しかしながら、このような半導
体発光素子は単色性のピーク波長を有するが故に白色系
(白、ピンクや電球色など)の発光のみを得る場合にお
いても、2種類以上の半導体発光素子を利用せざるを得
なかった。単色性のピーク波長を発するLEDチップと
蛍光物質を利用して種々の発光色を発光させる半導体発
光装置として、特開平5−152609号公報や特開平
7−99345号公報などに記載されたものが知られて
いる。
【0003】これらの半導体発光装置は、発光層のエネ
ルギーバンドギャップが比較的大きいLEDチップをリ
ードフレームの先端に設けられたカップ上などに配置す
る。LEDチップは、LEDチップが設けられたメタル
ステムやメタルポストとそれぞれ電気的に接続させる。
そして、LEDチップを被覆する樹脂モールド中などに
LEDチップからの光を吸収し、波長変換する蛍光体を
含有させ色変換部材として形成させてある。半導体発光
装置に利用するモールド部材、色変換部材の基材となる
透光性樹脂やマウント部材などには、生産性、扱い易さ
や透光性などから種々の合成樹脂を利用することができ
る。これによって、LEDチップからの発光波長を蛍光
体によって波長変換した半導体発光装置とすることがで
きる。例えば、LEDチップからの青色系の光と、その
青色系の光を吸収し補色関係にある黄色系を発光する蛍
光体からの光との混色により白色系が発光可能な発光ダ
イオードを構成することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、蛍光物質を利
用した半導体発光装置は、蛍光物質にもよるが発光層か
らの発光波長が短いものほど効率よく発光する傾向にあ
る。一方、蛍光物質の利用効率を高めるため、発光波長
を短いものに選択すると合成樹脂は劣化しやすくなると
いうトレードオフの関係にある。特に、蛍光物質を用い
た半導体発光装置は半導体発光素子と接する合成樹脂が
極めて劣化しやすい傾向にある。合成樹脂の劣化は発光
輝度低下だけでなく色ズレや色むらを引き起こすという
新たな問題をも生ずる。同様に、より高輝度、高出力な
半導体発光素子が開発されるにつれ半導体発光素子近傍
における透光性樹脂の経時劣化が大きな問題となる。特
に、上述の如き特定の半導体発光装置に用いられる合成
樹脂は、通常問題のないと考えられる発光スペクトル
(360nm以上)や使用時間においても急激に着色劣
化し易い傾向にあることが分かった。そこで、本発明は
上記課題を解決し、より高輝度かつ、長時間の使用環境
下においても発光光率の低下が極めて少なく色ズレなど
のない半導体発光装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は種々の実験の
結果、高輝度かつ長時間の使用環境下における半導体発
光装置の出力低下が、半導体発光素子のごく近傍に配置
された封止樹脂やマウント部材の着色劣化に起因してい
ること、及びこれらの部材を特定のエポキシ樹脂組成物
とすることにより、結果的に急激な劣化を防止し信頼性
の高い半導体発光装置とすることができることを見出し
本発明を成すに至った。すなわち、本発明に係る半導体
発光装置は、基体(104)上にマウント部材(10
1)によって固定された半導体発光素子(103)と、
該半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収し
その吸収した光の波長よりも長波長の蛍光を発する無機
系蛍光体を含有してなり前記半導体発光素子を被覆する
透光性樹脂とを備え、前記半導体発光素子(103)か
らの光と、前記無機系蛍光体からの光との混色により白
色系が発光可能な半導体発光装置(100)であって、
前記マウント部材(101)は、芳香族エポキシ樹脂が
含まれていない或いは芳香族エポキシ樹脂が5wt%以
下の主として酸無水物硬化の脂環式エポキシ樹脂からな
る透光性エポキシ樹脂組成物であることを特徴とする。
【0006】蛍光物質を利用した半導体発光装置は、蛍
光物質がない通常の半導体発光装置の場合と比し、封止
樹脂やマウント部材などに照射される光の密度が極端に
異なる。即ち、図2に蛍光物質を利用した半導体発光装
置の模式的断面図を示す。半導体発光素子203から放
出される発光波長は、そのまま全て透光性樹脂221な
どにより形成された色変換部材などを透過しない。
【0007】半導体発光素子203からの発光波長は半
導体発光素子203近傍などに設けられた蛍光物質22
2を透過するものがあるものの、蛍光物質によって反射
・散乱などされるものもある。これは蛍光物質と透光性
樹脂との屈折率差が異なれば生じ、蛍光物質に無機系蛍
光体を使用すると屈折率差が大きくなりこの傾向が強く
なる。また、蛍光物質222によって変換された蛍光が
等方的に放出される。さらに、半導体発光装置の光特性
向上のために半導体発光素子を高反射率の材料が用いら
れた基体などに配置される場合、その基体によって反射
される。また、各構成部材の屈折率差などによっても反
射などされる場合もある。
【0008】そのため、半導体発光素子203近傍に光
が部分的に密に閉じこめられる。特に、半導体発光素子
203近傍の光密度が極めて高くなる。そのため、図2
の斜線部に示す如く、半導体発光素子203極近傍の透
光性樹脂やマウント部材などが特に劣化着色などしその
着色部230の光吸収等により発光光率が急激に低下す
ると考えられる。同様に、より高出力且つ短波長が発光
可能な半導体発光素子においても半導体発光素子を固定
する透光性樹脂による劣化が顕著になる傾向がある。ま
た、樹脂の酸化等の劣化により、黄変等の着色がなされ
ると光が吸収されるために半導体発光素子からの光と蛍
光物質からの光の混色光を放出させる半導体発光装置に
おいては色ズレが生ずる。同様に、部分的に光が吸収さ
れると色むらが生ずるという問題が生ずる。具体的には
図3に示す如く、電流が集中して流れる領域において透
光性樹脂の部分的な劣化が顕著になる傾向にある。特
に、窒化物半導体を有する半導体発光素子はほかの半導
体発光素子と比べて特異な特徴があるために顕著に現れ
る。
【0009】本発明は、基体104上にマウント部材1
01によって固定された半導体発光素子103と、半導
体発光素子を被覆する透光性樹脂とを有する半導体発光
装置100である。特に、透光性樹脂は半導体発光素子
からの発光波長の少なくとも一部を吸収し発光波長より
も長波長の蛍光を発する無機系蛍光体を含有すると共に
マウント部材101は芳香族エポキシ樹脂が含まれてい
ない或いは、芳香族エポキシ樹脂が5wt%以下の主と
して酸無水物硬化の脂環式エポキシ樹脂からなる透光性
エポキシ樹脂組成物とすることで上記課題を解決しうる
ものである。これにより、半導体発光素子103と基体
104との密着性を保持しつつ半導体発光素子からの発
光波長、蛍光物質により反射された半導体発光素子から
の発光波長、蛍光物質からの蛍光や外光により劣化しに
くいマウント部材101とさせることができる。特に、
半導体発光素子と基体との接着性を満たしつつ、透光性
が高くマウント部材の黄変着色などによる発光輝度の低
下を少なくさせることができる。また、絶縁性の高いマ
ウント部材とさせることができる。
【0010】本発明の半導体発光装置では、少なくとも
一対のリード電極104、105と電気的に接続させた
半導体発光素子103と、半導体発光素子103を被覆
する透光性樹脂102とを有し、特に、透光性樹脂10
2は半導体発光素子からの発光波長の少なくとも一部を
吸収し発光波長よりも長波長の蛍光を発する蛍光物質を
含有すると共に、透光性樹脂が脂環式エポキシ樹脂及び
酸無水物を有する透光性エポキシ樹脂組成物とできる。
これにより、色ズレや色むらを抑制して長時間高輝度に
発光可能な半導体発光装置とすることができる。
【0011】本発明の半導体発光装置は、透光性エポキ
シ樹脂組成物に硬化促進剤として有機カルボン酸亜鉛及
び/又は亜鉛キレート化合物を含んでいてもよい。これ
により、より長時間かつ高輝度に発光可能な半導体発光
装置とすることができる。
【0012】本発明の半導体発光装置は、透光性エポキ
シ樹脂組成物が芳香族エポキシ樹脂が5wt%以下の脂
環式エポキシ樹脂組成物でもよい。これにより、より長
時間かつ高輝度に発光可能な半導体発光装置とすること
ができる。
【0013】本発明の半導体発光装置は、半導体発光素
子103の発光層305が少なくともGaを含む窒化物
半導体であると共に蛍光物質がセリウムで付活されたイ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の半導
体発光装置であってもよい。これにより、色むらや色ず
れなく、白色光が発光可能な半導体発光装置とすること
ができる。
【0014】本発明の半導体発光装置は、基体上104
に配置された半導体発光素子103を透光性樹脂によっ
て固定させた半導体発光装置100である。特に、半導
体発光素子の発光層が370nm以上530nm以下に
主発光ピークを発するものであってもよい。透光性樹脂
は芳香族エポキシ樹脂が5wt%以下の脂環式エポキシ
樹脂組成物である。これによって、長時間の使用におい
ても信頼性高く高輝度に発光可能な半導体発光装置とす
ることができる。
【0015】本発明の具体例の半導体発光装置は、半導
体発光素子103が少なくともGaを含む窒化物半導体
である発光層305を介してp型窒化物半導体306及
びn型窒化物半導体304が構成されたダブルへテロ構
造であって、同一平面側に一対の台座電極を有し、且つ
一方の台座電極が透光性電極を介して半導体上に設けら
れ、他方が半導体上に直接設けられる。これにより、よ
り均一発光を長時間行うことができる半導体発光装置と
することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】図を使って、本発明の実施の形態
を説明する。図1は、基体となるマウント・リードのカ
ップ内に半導体発光素子として窒化物半導体からなるL
EDチップをマウント部材が脂環式エポキシ樹脂と酸無
水物からなるエポキシ樹脂組成物でマウントさせてあ
る。
【0017】このようなエポキシ樹脂組成物をマウント
部材用に形成させる場合に、エポキシ樹脂組成物とし
て、酸無水物、アルコール・ポリオール類、有機カルボ
ン酸亜鉛、亜鉛キレート化合物及び脂環式エポキシ樹脂
を混合したものを塗布し半導体発光素子を載せた後に硬
化してある。LEDチップの各電極とマウント・リード
及びインナー・リードを導電性ワイヤーによって電気的
に接続させる。これにより半導体発光素子を発光させる
ことができる。
【0018】他方、マウント部材と同様のエポキシ樹脂
組成物中に蛍光物質としてイットリウム・アルミニウム
・ガーネット系蛍光体を含有させたものをカップ内に注
入することにより色変換部材を形成させる。これに砲弾
型のモールド部材を形成させ発光ダイオードを形成させ
ることができる。これにより本発明のエポキシ樹脂組成
物を使用し、長時間高輝度に安定した発光を得ることが
できる。なお、半導体発光装置として砲弾型の発光ダイ
オードについて述べてあるがチップタイプLEDなど種
々の形態がとれることは言うまでもない。以下、本発明
の各構成部材について詳述する。
【0019】(マウント部材101) 本発明に用いられるマウント部材101は、量産性よく
半導体発光素子103と基体104とを接着させると共
に半導体発光素子103などからの発光波長による劣化
を抑制するエポキシ樹脂組成物が用いられる。このよう
なエポキシ樹脂組成物は、脂環式エポキシ樹脂及び酸無
水物の他、硬化剤や助触媒、硬化促進剤を含有させるこ
とができる。
【0020】(エポキシ樹脂) 特に本発明のエポキシ樹脂は、高い透光性、高度の耐光
性と絶縁性及び接着性が要求されるため着色原因となる
芳香族成分を5wt%以下とすることが好ましく、同時
に無機塩素含有量を1ppm以下、有機塩素含有量を5
ppm以下とすることができる脂環式エポキシ樹脂がよ
り好ましい。特に蒸留生成され塩素成分を全く含有しな
いものがより好ましい。具体的には、3,4エポキシ−
6メチルシクロヘキシルメチルカルボキレートに代表さ
れる脂環式エポキシ樹脂を単独又は2種以上を混合し使
用することができる。また、脂環式エポキシ樹脂を主体
にヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、水素化
ビスフェノールAジグリシジルエーテルなどのシクロヘ
キサン誘導体とエピクロルヒドリンよりなるエポキシ樹
脂、ビスフェノールAジグリシジエーテルよりなる液状
又は固形のエポキシ樹脂なども必要に応じ混合使用する
こともできる。また、芳香族エポキシ樹脂が全く含有し
なくとも良い。
【0021】信頼性の高い半導体発光装置とするために
は芳香族エポキシ樹脂成分を5wt%以下とするエポキ
シ樹脂組成物がより好ましい。なお、脂環式エポキシ樹
脂は芳香族エポキシ樹脂に比べ透光性が落ちるものの、
本発明の如き蛍光物質を利用したものや特定波長以下を
発光する半導体発光素子を利用した場合においては、劣
化が極めて少ない。そのため、劣化時間を考慮したトー
タルの透光性は脂環式エポキシ樹脂の方が結果的に優れ
ることとなる。また、このエポキシ樹脂に劣化を更に抑
制するため、ラジカル連鎖開始防止剤、ラジカル補足剤
や過酸化物分解剤などの種々の添加剤を含有させること
もできる。
【0022】(酸無水物) 硬化剤として働く酸無水物は、耐光性を必要とするため
非芳香族かつ炭素二重結合を化学的に有しない多塩基酸
カルボン酸無水物の一種又は二種以上が好ましい。具体
的にはヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ
無水フタル酸、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル
酸、水素化メチルナジック酸などが挙げられる。特に、
酸無水物として硬化反応性と耐湿性のバランスの良いメ
チルヘキサヒドロ無水フタル酸をエポキシ樹脂100重
量部に対し50から120重量部配合したものが好まし
く、80から110重量部配合したものがより好まし
い。
【0023】(アルコール・ポリオール類) 助触媒として働くアルコール・ポリオール類は、硬化物
に可とう性を付与し剥離接着力を向上させるだけでなく
後述する硬化促進剤の相溶化剤としても機能する。アル
コール・ポリオール類も耐光性を要求されるため非芳香
族かつ炭素二重結合を化学構造的に有しない炭素数2〜
12の直鎖型、分岐型、脂環型、エーテル基含有型のい
ずれかからなるアルコール・ポリオール類が好適に用い
られる。具体的にはプロパノール、イソプロパノール、
メチルシクロヘキサノール、エチレングリコール、グリ
セリン、トリメチロールプロパン、エチレングリコール
モノメチルエーテルなどが挙げられる。
【0024】アルコール・ポリオール類は、硬化促進剤
の相溶化剤でもあるため硬化促進剤の化学構造と配合量
に影響を受けるが、エチレングリコールなどの低分子量
ジオールが1から30重量部の少量配合で好ましく、5
から15重量部がより好ましい。
【0025】(有機カルボン酸亜鉛) 硬化促進剤として働く有機カルボン酸亜鉛は、酸無水物
硬化剤の硬化促進剤として無色透明なエポキシ樹脂硬化
物とすることができるが有機カルボン酸成分により耐光
性に優劣がある。有機カルボン酸亜鉛も非芳香族かつ炭
素二重結合を有しない炭素数6〜18の直鎖型、分岐
型、エーテル基含有型のいずれかからなる脂肪酸の一種
又は二種よりなる脂肪酸亜鉛が好適に用いられる。具体
的にはオクチル酸亜鉛、ラウリン酸亜鉛、ステアリン亜
鉛などが挙げられる。
【0026】有機カルボン酸亜鉛は、脂肪酸成分の炭素
数増加と比例しエポキシ樹脂への溶解性が低下する。オ
クチル酸亜鉛は配合量に最も幅を有しており、また液状
であるため分散溶解に時間を要さない。したがって、硬
化性の観点からオクチル酸亜鉛を1から10重量部配合
することが好ましい。硬化物の透光性を考慮したならば
1から5重量部がより好ましい。
【0027】(亜鉛キレート化合物) 硬化促進剤として働く亜鉛キレート化合物は、亜鉛とβ
−ジケトンとアルカリにより合成することができる。β
−ジケトンは着色抑制効果があるものの、β−ジケトン
の単独添加や多量添加は逆にエポキシ樹脂の着色原因と
なる。そのため亜鉛キレート化合物とすることにより安
定化させ優れた耐光性・耐熱性をエポキシ樹脂に付与す
ることができる。また、亜鉛キレート化合物はエポキシ
樹脂への選択的かつ穏やかな硬化促進作用を有するため
脂環式エポキシ樹脂のような低分子量モノマーを主体と
しても低応力接着が可能となる。β−ジケトン成分とし
て、具体的にはアセチルアセトン、ベンゾイルアセト
ン、ステアロイルベンゾイルメタン、ジベンゾイルメタ
ン、アセト酢酸エチル、デヒドロ酢酸などが挙げられ
る。
【0028】亜鉛キレート化合物は、扱い易さなどから
アセチルアセトンをキレート成分としたビス(アセチル
アセトナト)アクア亜鉛(2)[Zn(C5722(H
2O)]を1から10重量部配合したものが好ましく、エ
ポキシ樹脂への溶解性を考慮したならば1から5重量部
がより好ましい。このようなマウント部材101は、L
EDチップ103と基板104とを接着させるためにマ
ウント機器を用いることによって簡単に塗布などするこ
とができる。
【0029】上記成分を適宜好適に混合したエポキシ樹
脂組成物を得ることにより耐光性、耐熱性及び接着性に
優れた絶縁型マウント部材を得ることができる。なお、
耐光性、耐熱性及び接着性とも各成分の化学構造と配合
量により種々調節することができることは言うまでもな
い。また、エポキシ樹脂組成物にAg、AuやITOな
どを含有させることで導電性ペーストとして使用しうる
こともできる。
【0030】(半導体発光素子103) 半導体発光素子103は、種々の蛍光物質222を効率
良く励起できる比較的バンドエネルギーが高い半導体発
光素子が挙げられる。このような半導体発光素子として
は、MOCVD法やHDVPE法等により形成された窒
化物半導体が好適に用いられる。窒化物半導体は、In
nAlmGa1-n-mN(ただし、0≦n、0≦m、n+m
≦1)を発光層として利用させてある。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。
【0031】窒化物半導体を形成させる基板にはサファ
イヤ、スピネル、SiC、Si、ZnO、窒化ガリウム
系単結晶等の材料を用いることができる。結晶性の良い
窒化ガリウム系半導体を量産性よく形成させるためには
サファイヤ基板を用いることが好ましく、サファイヤ基
板との格子不整合を是正するためにバッファー層を形成
することが望ましい。バッファー層は、低温で形成させ
た窒化アルミニウムや窒化ガリウムなどで形成させるこ
とができる。
【0032】窒化物半導体を使用したpn接合を有する
上述とは別の半導体発光素子例として、バッファー層上
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。
【0033】なお、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型窒化ガリウム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型窒化ガリウム
半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZ
n、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。
窒化ガリウム系化合物半導体は、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、低速電子線照射やプラズマ照射等
により低抵抗化したp型とさせることが好ましい。
【0034】サファイアやスピネルなど絶縁性基板を用
いた半導体発光素子の場合は、絶縁性基板の一部を除去
する、或いは半導体表面側からp型及びn型用の電極面
をとるためにp型半導体及びn型半導体の露出面をエッ
チングなどによりそれぞれ形成させる。各半導体層上に
スパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状
の各電極を形成させる。発光面側に設ける電極は、全被
覆せずに発光領域を取り囲むようにパターニングする
か、或いは金属薄膜や金属酸化物などの透明電極を用い
ることができる。このように形成された半導体発光素子
をそのまま利用することもできるし、個々に分割した半
導体発光素子として使用してもよい。
【0035】個々に分割された半導体発光素子として利
用する場合は、形成された半導体ウエハー等をダイヤモ
ンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソ
ーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い
幅の溝を切り込んだ後(ハーフカット)、外力によって
半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド
針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハ
ーに極めて細いスクライブライン(経線)を例えば碁盤
目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウ
エハーからチップ状にカットする。このようにして半導
体発光素子であるLEDチップなどを形成させることが
できる。本発明の半導体発光装置において半導体発光素
子のスペクトルは、550nm以下の近紫外域から可視
光に主発光ピークを発することで顕著な効果が生じやす
く、樹脂劣化、白色系など蛍光物質との補色関係等を考
慮する場合は、主発光ピークが370nm以上530n
m以下であることが好ましく、400nm以上490n
m以下がより好ましい。LEDチップと蛍光物質との効
率をそれぞれより向上させるためには、430nm以上
475nm以下がさらに好ましい。
【0036】なお、図3の如くダブルへテロ構造の窒化
物半導体は活性層305の層方向に放出される光が極め
て多く、その近辺の樹脂が特に劣化されやすい傾向にあ
る。また、透光性電極を表面に持った窒化物半導体で
は、図4の如く、抵抗率が透光性電極と比較して高い。
そのため、透光性電極302の端面と他方の導電型電極
301間の窒化物半導体に2点鎖線の如く電流が集中し
て流れやすい傾向にある。電流が集中して流れる近傍は
他の部位に比べて顕著に発光する傾向にある。そのた
め、発光輝度の高い周辺(図3中に示す透光性電極上の
如き斜線部位)が部分的に劣化着色する傾向にある。本
発明においてはこのような窒化物半導体においても樹脂
劣化を抑制して信頼性を高めることができる。
【0037】(色変換部材102) 色変換部材102とは、半導体発光素子103からの光
の少なくとも一部を変換する蛍光物質222が含有され
るものである。色変換部材102の基材としては、LE
Dチップ103からの光や蛍光物質からの光を効率よく
透過させると共に耐光性の良いものが好ましい。さら
に、色変換部材として働くと共にモールド材などとして
兼用させる場合は、外部環境下における外力や水分等に
対して強いものが好ましい。また、半導体発光素子を固
定できるものが好ましい。
【0038】このような基材221の具体的材料として
は、エラストマー状或いはゲル状シリコーン樹脂、アモ
ルファスフッ素樹脂、透光性ポリイミド樹脂や脂環式エ
ポキシ樹脂及び酸無水物からなるエポキシ樹脂組成物な
どの耐光性に優れた透光性樹脂や硝子などが好適に用い
られる。なお、モールド樹脂とマウント部材とは同じも
のでも良いし他のものを用いても良い。しかしながら、
発光ダイオードの一般的なモールド樹脂であるビスフェ
ノールAジグリシジルエーテルを主体としたエポキシ樹
脂や他のエポキシ樹脂等との密着性を考慮したならばエ
ポキシ系樹脂がより好ましい。
【0039】また、半導体発光素子に密着する場合など
半導体発光素子から強い放射光が照射される場合は芳香
族成分を5wt%以下(芳香族エポキシ樹脂を全く含有
しない場合も含む。)とする脂環式エポキシ樹脂組成物
が好ましく、同時に無機塩素含有量を1ppm以下、有
機塩素含有量を5ppm以下とすることができる脂環式
エポキシ樹脂組成物がより好ましい。色変換部材に用い
られる透光性樹脂としては、脂環式エポキシ樹脂及び酸
無水物からなるエポキシ樹脂組成物がより好ましい。具
体的には、マウント樹脂と同様に3,4エポキシ−6メ
チルシクロヘキシルメチルカルボキレートに代表される
脂環式エポキシ樹脂を単独又は2種以上を混合し使用す
ることができる。このようなエポキシ樹脂組成物は本発
明のマウント部材と同様のものを用いて形成させること
ができし、種々の配合量を変えた脂環式エポキシ樹脂及
び酸無水物からなるエポキシ樹脂組成物とすることもで
きる。
【0040】色変換部材は、LEDチップ103に直接
接触させて被覆させることもできるし、透光性樹脂など
を間に介して設けることもできる。この場合、耐光性の
高い透光性樹脂を利用することが好ましいことは言うま
でもない。また、蛍光物質222と共に着色顔料、着色
染料や拡散剤を含有させても良い。着色顔料や着色染料
を用いることによって色味を調節させることもできる。
拡散剤を含有させることによってより指向角を増すこと
もできる。具体的な拡散剤としては、無機系であるチタ
ン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪
素等や有機系であるグアナミン樹脂などが好適に用いら
れる。また、上述の種々の添加剤を含有させることがで
きる。
【0041】(蛍光物質222) 蛍光物質222は、半導体発光素子から放出された発光
波長である可視光や紫外光を吸収し、他の長波長に変換
するためのものである。したがって、半導体発光素子1
03に用いられる半導体発光層から発光される発光波長
や半導体発光装置から放出される所望の光に応じて種々
ものが用いられる。特に、半導体発光素子103が発光
した光と、半導体発光素子103からの光によって励起
され蛍光を発する蛍光物質222からの光が補色関係に
あるとき白色系の光を発光させることができる。
【0042】このような蛍光物質222として、セリウ
ムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネッ
ト系蛍光体、ペリレン系誘導体、銅、アルミニウムで付
活された硫化亜鉛カドミウムやマンガンで付活された酸
化マグネシウム・チタンなど種々のものが挙げられる。
これらの蛍光物質は、1種類で用いてもよいし、2種類
以上混合して用いてもよい。
【0043】特に、セリウムで付活されたイットリウム
・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、ガーネット構
造であるため、熱、光及び水に強く、励起スペクトルの
ピークが450nm付近にさせることができる。なお、
本発明においてセリウムで付活されたイットリウム・ア
ルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、最も広義に解釈
するものとしてY3Al512:Ceのイットリウム
(Y)の代わりにLu、Sc、La、Gd、Smから選
択される少なくとも一種と置き換えることができるもの
である。また、アルミニウム(Al)の代わりにGa、
In、B、Tlから選択される少なくとも一種と置き換
えることができるものである。
【0044】このようなセリウムで付活されたイットリ
ウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、発光ピー
クも530nm付近などにあり、700nm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。
しかも、組成のアルミニウムの一部をGaで置換するこ
とで発光波長が容易に短波長側にシフトし、また組成の
イットリウムの一部をGdで置換することで、発光波長
が容易に長波長側へシフトさせることができる。このよ
うに組成を変化させることで連続的に種々の発光波長と
することができるため本発明の蛍光物質として特に好ま
しい。
【0045】同様に、所望に応じて発光波長を長波長や
短波長側に調節させるため、イットリウムの一部をL
u、Sc、Laに置換させることもできるし、アルミニ
ウムの一部をIn、B、Tlに置換させることもでき
る。さらに、セリウムに加えて、TbやCrを微量含有
させ吸収波長を調整させることもできる。
【0046】セリウムで付活されたイットリウム・アル
ミニウム・ガーネット系蛍光体を用いた場合は、半導体
発光素子103と接する或いは近接して配置された放射
照度として(Ee)=3W・cm-2以上10W・cm-2
以下の高照射強度においても高効率に十分な耐光性を有
する半導体発光装置を構成することができる。
【0047】(基体104) 本発明に用いられる基体104とは、半導体発光素子1
03を配置させるものであり、半導体発光素子からの発
光波長を反射して有効利用できるものだが好ましい。し
たがって、マウント部材によって接着させるために十分
な大きさがあればよく、所望に応じて種々の形状や材料
を用いることができる。具体的には、発光ダイオードに
用いられるリード端子やチップタイプLEDのパッケー
ジなどが好適に用いられる。
【0048】基体104上には、半導体発光素子103
を1つ配置してもよいし、2以上配置することもでき
る。また、発光波長を調節させるなどために複数の発光
波長を有するLEDチップなどを配置させることもでき
る。SiC上に形成された窒化物半導体を利用したLE
Dチップなどを配置させる場合、接着性と共に十分な電
気伝導性が求められる。また、半導体発光素子103の
電極を導電性ワイヤーを利用して基板104となるリー
ド電極などと接続させる場合は、導電性ワイヤーなどと
の接続性が良いことが好ましい。
【0049】このような基体として具体的には、リード
電極やパッケージなどとして、鉄、銅、鉄入り銅、錫入
り銅、銅金銀などをメッキしたアルミニウムや鉄、さら
にはセラミックや種々の合成樹脂などの材料を用いて種
々の形状に形成させることができる。
【0050】(導電性ワイヤー107) 電気的接続部材である導電性ワイヤー107としては、
半導体発光素子103の電極とのオーミック性、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/cm2/cm/
℃以上が好ましく、より好ましくは0.5cal/cm
2/cm/℃以上である。また、作業性などを考慮して
導電性ワイヤー107の直径は、好ましくは、Φ10μ
m以上、Φ45μm以下である。このような導電性ワイ
ヤー107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ー
103が挙げられる。このような導電性ワイヤー107
は、各LEDチップ103の電極と、インナー・リード
及びマウント・リードなどと、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。
【0051】(モールド部材106) モールド部材106とは半導体発光素子103などを外
部環境から保護されるために設けられるものである。そ
のため、色変換部材をモールド部材としてそのまま利用
することもできるし、色変換部材とは別に透光性樹脂を
形成しモールド部材とすることもできる。このようなモ
ールド部材は凸レンズ状や凹レンズ形状など所望に応じ
て種々の形態を利用することができる。半導体発光素子
と接しないモールド部材は種々の透光性樹脂を利用する
ことができるものの、半導体発光素子と接するモールド
部材と同じく本発明のマウント樹脂、色変換部材の基材
と同様に脂環式エポキシ樹脂組成物を利用することが好
ましい。
【0052】より具体的には、モールド樹脂を構成する
透光性樹脂は芳香族成分を5wt%以下(芳香族エポキ
シ樹脂を全く含有しない場合も含む。)とする脂環式エ
ポキシ樹脂組成物が好ましく、同時に無機塩素含有量を
1ppm以下、有機塩素含有量を5ppm以下とするこ
とができる脂環式エポキシ樹脂組成物がより好ましい。
モールド部材に用いられる透光性樹脂としては、脂環式
エポキシ樹脂及び酸無水物からなるエポキシ樹脂組成物
がより好ましい。
【0053】具体的には、マウント樹脂等と同様に3,
4エポキシ−6メチルシクロヘキシルメチルカルボキレ
ートに代表される脂環式エポキシ樹脂を単独又は2種以
上を混合し使用することができる。このようなエポキシ
樹脂組成物は本発明のマウント部材等と同様のものを用
いて形成させることができし、種々の配合量を変えた脂
環式エポキシ樹脂及び酸無水物からなるエポキシ樹脂組
成物とすることもできる。また、各種拡散材や着色剤に
加えて上述の種々の添加剤を含有させることもできる。
次に、本発明における半導体発光装置について具体的に
説明する。
【0054】
【実施例】(実施例1) 半導体発光素子の発光層に発光ピークが450nmのI
0.2Ga0.8N半導体を用いた。半導体発光素子は、洗
浄させたサファイヤ基板上に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、M
OCVD法で窒化物半導体を成膜させることにより形成
させた。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型半導体やp型半導体を形成さ
せる。半導体発光素子の構造としてはn型窒化ガリウム
半導体であるコンタクト層と、p型窒化ガリウム半導体
であるクラッド層、p型窒化ガリウム半導体であるコン
タクト層を形成させた。n型コンタクト層とp型クラッ
ド層との間に厚さ約3nmであり、単一量子井戸構造と
されるIn0.2Ga0.8Nの活性層を形成した。(なお、
サファイヤ基板上には低温で窒化ガリウム半導体を形成
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。)エッチング
によりサファイア基板上のpn各コンタクト層表面を露
出させた後、スパッタリング法により各台座電極をそれ
ぞれ形成させた。なお、p型窒化物半導体上の全面には
金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電
極の一部に台座電極を形成させてある。こうして出来上
がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、
外力により分割させ半導体発光素子であるLEDチップ
を形成させた。
【0055】マウント部材は3,4エポキシシクロメチ
ルカルボキレートとして3,4エポキシシクロメチル−
3’,4’エポキシシクロヘキシルカルボキシレート1
00重量部、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸90重量
部、エチレングリコール10重量部、オクチル酸亜鉛4
重量部、ビス(アセチルアセトナト)アクア亜鉛(2)
2.5重量部を混合し均一で無色透明なエポキシ樹脂組
成物を用いて構成してある。
【0056】この透光性エポキシ樹脂組成物を銀メッキ
した銅製リードフレームの先端カップ内にシリンジディ
スペンサーにより、塗着しLEDチップをマウントし
た。これを170℃で75分加熱しエポキシ樹脂組成物
を硬化させLEDチップを固定した。次に、LEDチッ
プの各台座電極と、カップが設けられたマウントリード
やインナーリードとそれぞれ金線でワイヤーボンディン
グし電気的導通を取った。
【0057】一方、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
させた。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を混合して坩堝に詰め、空
気中1400°Cの温度で3時間焼成して焼成品を得
た。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾
燥、最後に篩を通して形成させた。
【0058】また、透光性樹脂の3,4エポキシシクロ
メチルカルボキレートとして3,4エポキシシクロメチ
ル−3’,4’エポキシシクロヘキシルカルボキシレー
ト100重量部、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸90
重量部、エチレングリコール10重量部、オクチル酸亜
鉛4重量部、ビス(アセチルアセトナト)アクア亜鉛
(2)2.5重量部を混合し均一な無色透明なエポキシ
樹脂組成物を用いて構成してある。
【0059】形成された(Y0.8Gd0.23Al512
Ce蛍光物質75重量部、エポキシ樹脂組成物100重
量部をよく混合してスラリーとさせた。このスラリーを
LEDチップが配置されたマウント・リード上のカップ
内に0.2μl注入させた。注入後、蛍光物質が含有さ
れた樹脂を150℃120分で硬化させた。こうしてL
EDチップ上に厚さ120μの蛍光物質が含有された色
変換部材を形成しLEDチップを固定させた。その後、
さらにLEDチップや蛍光物質を外部応力、水分及び塵
芥などから保護する目的でモールド部材としてビスフェ
ノールAジグリシジルエーテルを主体としたエポキシ樹
脂及び酸無水物、硬化促進剤として第四級アンモニウム
塩を含む透光性エポキシ樹脂を形成させた。モールド部
材は、砲弾型の型枠の中に色変換部材が形成されたリー
ドフレームを挿入し透光性エポキシ樹脂を混入後、15
0℃5時間にて硬化させた。
【0060】こうして白色系が発光可能な発光ダイオー
ドを構成することができる。寿命試験として、温度25
℃20mA通電、温度25℃60mA通電の各試験にお
いても長時間にわたって、発光出力が維持できることを
確認した。また、色ズレや色むらなく発光することがで
きる。
【0061】(実施例2) 半導体発光素子の発光層に青色が発光可能なIn0.25
0.75N半導体を有する窒化物半導体素子を用いた。よ
り具体的にはLEDチップは、洗浄させたサファイヤ基
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。
【0062】半導体発光素子であるLEDチップの素子
構造としてはサファイア基板上に、アンドープの窒化物
半導体であるn型GaN層、Siドープのn型電極が形
成されn型コンタクト層となるGaN層、アンドープの
窒化物半導体であるn型GaN層、次に発光層を構成す
るバリア層となるGaN層、井戸層を構成するInGa
N層、バリア層となるGaN層を1セットとしGaN層
に挟まれたInGaN層を5層積層させた多重量子井戸
構造としてある。発光層上には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GaN層を順次積層させた構成と
してある。(なお、サファイヤ基板上には低温で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。)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、pn各コンタクト層表面を露出させる。各コン
タクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電
極をそれぞれ形成させた。なお、p型窒化物半導体上の
全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、
透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。出来上
がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、
外力により分割させ半導体発光素子であるLEDチップ
を形成させた。このLEDチップは475nmに単色性
ピーク波長を有するものであった。
【0063】表面に銀でメッキされた鉄入り銅から構成
されるマウントリードのカップ底面上に、マウント樹脂
としてエポキシ樹脂組成物を利用してLEDチップをダ
イボンドする。具体的には、先端カップ内にシリンジデ
ィスペンサーにより、脂環式エポキシ樹脂組成物を塗着
しLEDチップをマウントした。これを170℃で75
分加熱しエポキシ樹脂組成物を硬化させLEDチップを
固定した。
【0064】なお、マウント樹脂は非芳香族エポキシ樹
脂である3,4エポキシシクロメチル−3′,4′エポ
キシシクロヘキシルカルボキシレート100重量部、メ
チルヘキサヒドロ無水フタル酸90重量部、エチレング
リコール10重量部、オクチル酸亜鉛4重量部、ビス
(アセチルアセトナト)アクア亜鉛(2)2.5重量部
を混合し均一な無色透明なエポキシ樹脂組成物を用いて
構成してある。
【0065】次に、LEDチップの正負各台座電極と、
マウントリード及びインナーリードとを金線によりワイ
ヤーボンディングさせ電気的導通を取った。
【0066】続いて、主剤となる脂環式エポキシ樹脂か
らなる3,4エポキシシクロメチル−3′,4′エポキ
シシクロヘキシルカルボキシレート100重量部、硬化
剤となるメチルヘキサヒドロフタル酸無水物125重量
部、助触媒として働くエチレングリコール5重量部及び
ベンジルトリフェニルホスホニウム臭素塩0.2重量部
の割合で混合し、無色透明なエポキシ樹脂組成物を形成
させた。なお、この透光性エポキシ樹脂組成物中には上
述と同様に蛍光物質を含有させてある。
【0067】こうして混合されたエポキシ樹脂組成物を
砲弾型の型枠であるキャスティングケース内に注入させ
る。上述のLEDチップがカップ内に配置されたマウン
トリード及びインナーリードの一部をキャスティングケ
ース内に挿入し120℃2時間の一次硬化を行った。一
次硬化後、キャスティングケースから発光ダイオードを
抜き出し、窒素雰囲気下において180℃5時間で二次
硬化を行った。こうして発光輝度低下を抑制することが
できる半導体発光装置とすることができる。
【0068】(実施例3) LEDチップとして井戸層を構成するInの含有量を変
化させて主発光スペクトルピークを約395nmから約
495nmまで、ほぼ10nmづつ変化させた半導体発
光装置を11種類を実施例2と同様にして形成させる。
他方、モールド樹脂、マウント部材及び色変換部材の基
材として主剤となる脂環式エポキシ樹脂からなる3,4
エポキシシクロメチル−3′,4′エポキシシクロヘキ
シルカルボキシレート90重量部、ビスフェノールAジ
グリシジルエーテル10重量部、硬化剤となるメチルヘ
キサヒドロフタル酸無水物125重量部、助触媒として
働くエチレングリコール5重量部及びベンジルトリフェ
ニルホスホニウム臭素塩0.2重量部の割合で混合させ
た無色透明なエポキシ樹脂組成物を用いた以外は実施例
1と同様にして半導体発光装置を形成させる。
【0069】こうして形成された発光ダイオードは短波
長ほど劣化しやすかったものの実施例1とほぼ同様の特
性を示す。蛍光物質を含有させない以外は同様にして形
成させた各半導体発光装置もその透光性電極上など部分
的に透光性樹脂が劣化することなく優れた特性を有する
ことができる。
【0070】(比較例1) マウント樹脂、色変換部材の基材及びモールド部材をビ
スフエノールAジグリシジルエーテル100重量部、メ
チルヘキサヒドロフタル酸無水物90重量部、エチレン
グリコール5重量部、ベンジルトリフェニルホスホニウ
ム臭素塩0.2重量部を含有させた透光性エポキシ樹脂
組成物とした以外は実施例1と同様にして発光ダイオー
ドを形成させる。なお、硬化条件は注型法により120
℃、2時間の一時硬化後脱型し、窒素雰囲気中にて13
0℃で3時間二次硬化を行った。また、形成された透光
性樹脂はフェノール誘導体エポキシ樹脂が約51wt%
であった。こうして形成された発光ダイオードは100
時間もたたないうちに輝度が低下し、色ズレ、色むらが
生じていた。
【0071】
【発明の効果】本発明の半導体発光装置とすることによ
り、長時間高輝度時の使用下においても発光効率の低下
が極めて少ない半導体発光装置とすることができる。ま
た、透光性、接着性を高いレベルで維持させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の半導体発光装置の一例を示
す発光ダイオードの模式的断面図である。
【図2】 図2は、半導体発光装置内における光閉じこ
め作用を説明するための模式的拡大断面図である。
【図3】 図3は、半導体発光素子の発光層周辺及び半
導体発光素子上周辺においてモールド部材が部分的に変
色していることを示す模式的部分斜視図である。
【図4】 図4は、半導体発光素子において部分的に電
流が集中する状態を示した模式的断面図である。
【符号の説明】
101・・・マウント部材 102・・・色変換部材 103、203・・・半導体発光素子 104・・・基体でありリード電極となるマウント・リ
ード 105・・・リード電極となるインナー・リード 106・・・モールド部材 107・・・導電性ワイヤー 211・・・基体に配置されたマウント部材 221・・・色変換部材の透光性樹脂 222・・・蛍光物質 230・・・樹脂劣化した着色部 300・・・樹脂劣化した着色部 301・・・n型窒化物半導体上に設けられた台座電極 302・・・p型窒化物半導体上に設けられた透光性電
極 303・・・透光性電極上に設けられた台座電極 304・・・n型窒化物半導体 305・・・発光層 306・・・p型窒化物半導体 307・・・サファイア基板 308・・・バッファ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−167359(JP,A) 特開 平2−169620(JP,A) 特開 昭61−120825(JP,A) 特開 昭61−268719(JP,A) 特開 平7−235558(JP,A) Proc.SPIE Int.So c.Opt.Eng.Vol.3002 (1997)p.26−35 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体(104)上にマウント部材(10
    1)によって固定された半導体発光素子(103)と、
    該半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収し
    その吸収した光の波長よりも長波長の蛍光を発する無機
    系蛍光体を含有してなり前記半導体発光素子を被覆する
    透光性樹脂とを備え、前記半導体発光素子(103)か
    らの光と、前記無機系蛍光体からの光との混色により白
    色系が発光可能な半導体発光装置(100)であって、 前記マウント部材(101)は、芳香族エポキシ樹脂が
    含まれていない或いは芳香族エポキシ樹脂が5wt%以
    下の主として酸無水物硬化の脂環式エポキシ樹脂からな
    る透光性エポキシ樹脂組成物であることを特徴とする半
    導体発光装置。
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