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JP2007242856A - チップ型半導体発光素子 - Google Patents

チップ型半導体発光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】 光取出し効率を向上し、同じ入力に対してさらに輝度向上を図ると共に、できるだけ広い面積から均一に光を発光させて高輝度発光可能で、照明装置に適した反射型のチップ型半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板１の一面（表面）の両端部に電気的に分離して一対の端子電極１１、１２が設けられ、その基板１上の一面（表面）の上に複数のＬＥＤチップ２がそれぞれ分離して設けられ、各々のＬＥＤチップ２が第１ボンディング部１１ａを介して第１端子電極１１と、ワイヤ７および第２ボンディング部１２ａを介して第２端子電極１２と、それぞれ電気的に接続され、基板１の一面（表面）上で複数のＬＥＤチップ２の各々の周囲を取り囲むように反射壁３が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板上の両端部に一対の端子電極（リードを含む）が設けられ、基板上に複数の発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップともいう）が設けられるチップ型（表面実装型）半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、高電流駆動で、発光面積を大きくして高輝度発光が可能な半導体発光素子でも、さらに光取出し効率を向上させて高輝度にすることができるチップ型半導体発光素子に関する。
従来の反射型のチップ型半導体発光素子は、たとえば図５（ａ）に示されるように、ＢＴレジンなどからなる基板４１の両端部に一対の端子電極４２、４３が基板４１の裏面に繋がるように設けられ、その一方の端子電極４２上にＬＥＤチップ４４がダイボンディングされることにより、ＬＥＤチップ４４の下部電極が一方の端子電極４２と接続され、ワイヤ４５によりＬＥＤチップ４４の上部電極が他方の端子電極４３と電気的に接続されている。その周囲は、液晶ポリマなどからなる樹脂により形成された反射ケース４６により囲まれ、正面側に光を反射させるようにして、その内部に透光性樹脂が充填されて封止樹脂層４７が形成されている（たとえば特許文献１参照）。
また、近年、白色半導体発光素子の開発が進められ、照明装置などにも半導体発光素子が使用されるに至り、チップ型半導体発光素子もさらなる高輝度化が要求され、チップサイズが大きくなると共に、入力も多くなって大電流駆動が行われるようになっている。そのため、ＬＥＤチップの発熱も多くなることから、大電流を印加しても熱飽和による輝度低下を防止すると共に、放熱特性も一段と向上させる必要がある。このような大電流用の、いわゆるチップ型（表面実装型）で、周囲に反射ケースを有し、放熱特性を備えた半導体発光素子は、たとえば図５（ｂ）に示されるような構造が考えられている。
すなわち、図５（ｂ）において、たとえばＡｌＮのような熱伝導率が大きく絶縁性の基板５１の周囲に反射ケース５７を基板５１と一体化する樹脂部５２が、一対のリード５３、５４を固定して設けられ、その一方のリード５３上にたとえば青色の光を発光するチップサイズの大きい、たとえば０.９ｍｍ×０.９ｍｍのＬＥＤチップ５５がマウントされ、前述の例と同様に金線などのワイヤ５６によりＬＥＤチップ５５の一対の電極が一対のリード５３、５４と電気的に接続されている。ＬＥＤチップ５５およびワイヤボンディング部分の周囲には、たとえば白色樹脂（たとえばアモデル）により反射ケース５７が形成され、反射ケース５７と樹脂部５２は白色樹脂で同時にインジェクション成型されている。そして、反射ケース５７で囲まれたＬＥＤチップ５５およびワイヤ５６の部分を被覆するように、たとえば青色の光の一部を赤色および緑色に変換してその混合色で白色にする蛍光体が含有された発光色変換用樹脂が塗布されて発光色変換用樹脂層５８により被覆されている。
特開２００１−１７７１５５号公報
前述のように、従来の高電流駆動用で反射型のチップ型半導体発光素子は、チップサイズの大きなＬＥＤチップを用いることで、輝度の向上を図っている。しかしながら、チップ面積を大きくすると、チップの中心部で発光して横に進む光は半導体層で吸収されて減衰し、充分に輝度を向上させることができない。しかも、いくらチップサイズの大きなＬＥＤチップを用いたとしても、その大きさには限界があり、照明装置用のチップ型半導体発光素子としては輝度がまだ充分でないという問題がある。また、広い面積を均一に光らせる必要がある照明装置などにおいては、チップサイズを大きくしても発光する面積が０.９ｍｍ角と小さな点状であるため、照明装置などの面発光光源には適さないという問題がある。さらに、高輝度化に伴う発熱量も一段と大きくなっているが、チップサイズを大きくすることにより、ＬＥＤチップ中心部での放熱が一段と悪化し、熱によりＬＥＤチップが破損したり特性が劣化したりするという信頼性の低下も問題になる。
また、大電流駆動用に、チップ型半導体発光素子の基板の主たる部分に熱伝導率の優れた金属板やＡｌＮ絶縁基板を用いると、加工性やコストの問題があるのみならず、このチップ型半導体発光素子を搭載する実装基板側にチップ型半導体発光素子の基板と接触して熱伝導の優れた材料が設けられていないと、チップ型半導体発光素子の基板の熱伝導率がよくてもそこから熱放散を充分にできず、また、表面側に広い面積で露出する反射ケースが白色樹脂により形成されると、この反射ケースの熱伝導率は金属基板に比べて１／１０００程度と小さく、この反射ケースからの放熱特性は非常に劣っており、反射ケースからの熱放散は充分ではないという問題がある。さらに、基板と反射ケースとの熱膨張率が異なると熱サイクルで両者間に剥離が生じ、より一層熱放散が悪くなる。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、光取出し効率を向上し、同じ入力に対してさらに輝度向上を図ると共に、できるだけ広い面積から均一に光を発光させて高輝度発光が可能で、照明装置に適した反射型のチップ型半導体発光素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記目的に加え、さらにチップ型半導体発光素子全体からの熱放散を向上させることにより、発熱に対する信頼性を向上させたチップ型半導体発光素子を提供することにある。
本発明によるチップ型半導体発光素子は、基板と、該基板の一面の対向する両端部に電気的に分離して設けられる一対の端子電極と、前記基板の一面上に分離して設けられ、前記一対の端子電極と電気的に接続される複数個の発光素子チップと、該複数個の発光素子チップ各々の周囲を取り囲むように設けられる反射壁とからなっている。ここに端子電極とは、ＬＥＤチップの電極と接続され、実装基板などに接続し得るように形成された電極を意味し、基板上に金属膜で形成されるものや、別途形成されるリードが基板上に接着もしくは載置により設けられるものなどを含む意味である。
前記反射壁の少なくとも一部が、ペースト材料の塗布による積層体により形成されることにより、狭い領域にも精度よく反射壁を形成することができる。なお、積層体は塗布、乾燥を重ねて最終的にベーキングまたは焼成することにより固着できる。
前記基板および反射壁が共にアルミナ焼結体を主材料とする材料により形成されていることにより、放熱特性が向上するため好ましい。ここに主材料とは、基板などの少なくとも５０％以上がアルミナ焼結体であることを意味し、他の材料、不純物などが多少含まれてもよいことを意味する。
さらに、前記基板の前記複数の発光素子チップが設けられる位置にそれぞれ貫通孔が設けられ、該貫通孔内に前記基板よりも熱伝導率の大きい材料が埋め込まれていることにより、さらに放熱特性が向上する点で好ましい。
本発明によれば、反射型のチップ型半導体発光素子において、ＬＥＤチップを複数個に分割して基板上に離間して設け、それぞれのＬＥＤチップの周囲を反射壁（リフレクタ）で囲っているため、大きなチップを１個設ける場合に比べて、チップ側面の面積が大きくなり、それぞれのチップの側面から出射される光のトータル量が増え、その分上方への光の量も増える。すなわち、大面積で１個のチップでは、中心部で発光して横方向に進む光は活性層などの半導体層で吸収されて減衰しやすいが、本発明では小さなチップに分割さされているため、中心部のチップで発光して横方向に進む光もその側壁から外に出て反射壁で上方に反射されて有効に利用することができる。また、１個のＬＥＤチップではなく、分割された小さなＬＥＤチップが基板の広い面積に分散されているため、点状の光源ではなく、面状の光源として作用し、照明装置に適合するやさしい光となる。さらに、ＬＥＤチップ内部の発熱に関しても、細分化されたＬＥＤチップ近傍に熱を放散することができる反射壁がそれぞれ設けられているため、ＬＥＤチップの小さな領域ごとに基板および反射壁を介して熱放散をすることができ、熱による劣化も改善される。
また、反射壁および基板に熱伝導率が比較的よいアルミナ焼結体を用いることで、基板と反射壁との間の熱膨張差の問題はなく、密着性を保ちながら、白色樹脂製の場合と比べて、１００倍程度のスピードで熱を伝導させることができる。その結果、広い面積を有している反射壁の露出面から熱を放散することができ、基板からの熱放散が充分ではない場合でも（実装基板の放熱特性に拘らず）、反射壁から熱放射をすることができ、非常にＬＥＤの放熱特性が向上し、信頼性を大幅に向上させることができる。さらに、反射壁が無機材料により形成されているため、温度が上昇しても変色することは殆どなく、優れて安定した反射率を維持することができる。
さらに、前記基板の前記複数の発光素子チップが設けられる位置にそれぞれ貫通孔が設けられ、該貫通孔内に前記基板よりも熱伝導率の大きい材料が埋め込まれていることにより、ＬＥＤチップからの熱はアルミナ焼結体経由よりも貫通孔内の埋込み材料を通して実装基板に伝わるため、基板を介しての熱伝導を向上させることができ、実装基板側に熱伝導率のよい部材がある場合には、その部材を介して熱伝導による放熱を向上させることができる。
つぎに、図面を参照しながら本発明のチップ型半導体発光素子について説明をする。本発明によるチップ型半導体発光素子は、図１にその一実施形態の平面および断面（図１（ａ）のＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面）の説明図がそれぞれ示されるように、基板１の一面（表面）の対向する両端部に電気的に分離して一対の端子電極１１、１２が設けられ、その基板１上の一面（表面、図１に示される例では第１端子電極１１に裏面電極１１ｂを介して電気的に接続される複数の第１ボンディング部１１ａ）の上に複数（図１に示される例では９個）の発光素子チップ（ＬＥＤチップ）２がそれぞれ分離して設けられ、各々のＬＥＤチップ２の一対の電極が第１ボンディング部１１ａを介して第１端子電極１１と、ワイヤ７および第２ボンディング部１２ａを介して第２端子電極１２と、それぞれ電気的に接続され、基板１の一面（表面）上で複数のＬＥＤチップ２の各々の周囲を取り囲むように反射壁３が設けられている。なお、図１に示される例では、後述するようにアルミナ焼結体からなる基板１上のＬＥＤチップ２が設けられる部分に第１ボンディング部１１ａ、その下に貫通孔がそれぞれ形成され、その貫通孔内に銀などの基板１よりも熱伝導率の大きい材料が埋め込まれた放熱用スルーホール４が形成され、この第１ボンディング部１１ａ、放熱用スルーホール４および基板裏面側にある裏面電極１１ｂを通じて、ＬＥＤチップ２の下部電極が第1端子電極１１と電気的に接続されている。
基板１は、アルミナ焼結体からなる基板が用いられているが、その厚さは通常のチップ型半導体発光素子と同程度の厚さのものが用いられ、０.０６〜０.５ｍｍ程度の厚さのものを用いることができる。この基板１は、たとえば厚さが０.３ｍｍ程度のグリーンシートを焼結することにより得られ、このグリーンシートの状態で後述するような第１および第２の端子電極１１、１２の金属膜やスルーホール１ａ、４などを形成しておくことにより、焼結により金属膜などが形成された基板を得ることができる。この焼結の際に、後述する反射壁３をペースト状のアルミナ粉末の積層体を形成しておくことにより、同時に焼結されてアルミナにより形成することができる。図１（ａ）に示される発光素子としての大きさ（外形）は、縦×横×高さが３〜５ｍｍ×３〜５ｍｍ×１〜３ｍｍ程度に形成されている。
この基板１の表面には、ＡｇやＡｕなどからなる端子電極１１、１２が印刷やメッキなどにより形成されており、その端子電極１１、１２のパターンについて、基板裏面および表面を表した図２を用いて説明する。図２（ａ）の基板裏面説明図で示されるように、基板１の裏面には、裏面電極１１ｂ、１２ｂが形成され、スルーホール１ａの内面に形成される側面電極（図示せず）により表面の端子電極１１、１２と裏面電極１１ｂ、１２ｂとが接続されることにより、実装基板などに直接ハンダ付けなどにより搭載する表面実装型に形成されている。
また、表面側の第１端子電極１１および第２端子電極１２のパターンは、図１（ａ）に示される例では、殆どの部分が反射壁３により被覆されており、被覆されていない部分のみが描かれているが、実際には、図２（ｂ）の基板表面説明図で示されるように、第１端子電極１１は、表面の４隅のうちの２隅側に設けられ、ＬＥＤチップ２が直接第１端子電極１１に接続されるようなパターンではなく、第１端子電極１１と電気的に接続される第１ボンディング部１１ａ、スルーホール４および裏面電極１１ｂを介して接続されている。一方、第２端子電極１２も表面上の第１端子電極１１が設けられていない残りの２隅側に設けられ、ＬＥＤチップ２が設けられる位置の近傍にまで到達するように第２ボンディング部１２ａを有している。
第１端子電極１１および第２端子電極１２は、この形状には限定されず、４隅ではなく、対向する２辺のそれぞれの中央部にスルーホールが形成され、対向する２辺側のみに延びるように端子電極１１、１２が形成されていてもよい。さらに、端子電極１１、１２はこのような金属膜ではなく、リードフレームまたはリードが直接設けられる構造でもよい。
第１ボンディング部１１ａは、基板表面で、複数のＬＥＤチップ２を各々配置しようとする位置に端子電極１１、１２などと同じ材料で同時にパターンが形成され、第１ボンディング部１１ａ直下の基板１内に設けられる貫通孔内の銀などからなり、基板１よりも熱伝導率の大きい導電性材料が埋め込まれた放熱用スルーホール４、裏面電極１１ｂ、および第１端子電極１１が設けられる基板隅のスルーホール１ａの内面に形成される図示しない側面電極を介して第１端子電極１１と電気的に接続されている。また、第２ボンディング部１２ａは、第１ボンディング部１１ａの近傍に第２端子電極の一部として設けられている。なお、ＬＥＤチップ２の数は必要に応じて適宜変更されるため、それに合せ、各ボンディング部１１ａ、１２ａの数や形状も適宜変更される。
さらに、図２の第１端子電極１１および第２端子電極１２を含めた電極のパターン形状は、複数のチップを並列に接続するための一例であり、他のパターン、たとえば、裏面電極１１ｂや放熱用スルーホール４を介さず、第１端子電極１１にＬＥＤチップ２がボンディングされるようなパターンや第１ボンディング部１１ａを設けず放熱用スルーホール４上に直接ＬＥＤチップがボンディングされるようなパターンであってもよい。また、複数のチップを直列に接続する場合には、直列接続できるように端子電極のパターンは自由に変更することもできる。
図１に示される例では、基板１のＬＥＤチップ２が設けられる部分、すなわち、第１ボンディング部１１ａ直下に貫通孔が形成され、その貫通孔内にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属または基板よりも熱伝導率の大きい導電性材料が埋め込まれた放熱用スルーホール４が形成されている。この放熱用スルーホール４を設けるのは、基板１にアルミナ焼結体を用いた場合、金属基板またはＡｌＮ基板に比べて熱伝導率が下がるため、熱伝導率を向上させるためである。また、基板裏面に設けられた裏面電極１１ｂと基板表面に設けられた第１ボンディング部１１ａのパターンを接続し、簡易に並列接続を実現するためである。この放熱用スルーホール４は、たとえば直径が０.１〜０.５ｍｍφ程度で、それぞれのＬＥＤチップ２がボンディングされる第１ボンディング部１１ａ直下に設けられることが、確実に個々のＬＥＤチップ２の放熱を行うことができるため好ましいが、適宜変更することができる。このような構造にすることにより、基板１への熱伝導による放熱を良好にすることができると共に、簡易に複数のチップを並列接続させることができる。
ＬＥＤチップ２は、種々の発光色のＬＥＤを用いることができるが、白色光にするには、たとえば青色または紫外光を発光する窒化物半導体発光素子などを用い、発光色変換物質を混入した透光性樹脂をその表面に塗布することにより白色光とすることができる。このＬＥＤチップ２の大きさは、たとえば従来の０.９ｍｍ角チップを３×３個に分割すれば、０.３ｍｍ角の大きさとなる。上面のワイヤボンディングの大きさが０.１ｍｍ角程度は必要であり、余り大きくすると分割の意味がなくなるので、１辺が０.２〜０.４ｍｍ程度になるように分割するのが好ましい。本実施例では、後述する図４（ｂ）に示されるように、底面が０.３ｍｍ角、上面が０.２ｍｍ角の断面が台形状に形成されている。ＬＥＤチップ２の半導体構成については、後述する。
反射壁３は、それぞれのＬＥＤチップ２から四方に放射される光を正面側に集光するためのもので、図１に示される例では、それぞれのＬＥＤチップ２の周囲を囲むように形成されている。具体的には、図１（ｂ）および（ｃ）に示されるように、それぞれのＬＥＤチップ２が設けられる第１ボンディング部１１ａ、およびＬＥＤチップ２とワイヤなどで電気的に接続される第２ボンディング部１２ａをそれぞれ囲い、しかも外側に向けて少し広がるように階段状の積層体として設けられている。すなわち、反射壁３は、基板上１のＬＥＤチップ２の設けられる部分（第１ボンディング部１１ａおよび第２ボンディング部１２ａ）をくり抜いたようなマス目形状からなり、このマス目部分は、それぞれ内部から僅かに広がるように階段状に積層体が形成される。また、そのマス目は、四角形状からなると共に、チップ型半導体発光素子全体の外周部（基板１の外周部）では、チップ型半導体発光素子の外周部の形状に合せた形状（図１では四角形状）で形成されている。もっとも、このような形状に限定されるものではなく適宜変更が可能である。また、マス目の数も図１に示される例では、ＬＥＤチップ２の数が９個であるため、マス目も９箇所となるが、ＬＥＤチップ２の数に合せ適宜変更可能である。
なお、図１に示される例で、反射壁３は非常に小さく、反射ケースとして予め作製して貼り付けることができないため、後述するように、スクリーン印刷によりペースト状のアルミナ粉末（グリーンミント）や樹脂を積層して形成するため、階段状に形成されている。しかし、図３に示される例のように、外周の反射壁は従来と同様の反射ケース３ａとして予め形成して貼り付けることができる。
また、この反射壁３は白色樹脂などにより形成されていても構わないが、熱放散という観点からは基板１と共にアルミナ焼結体で形成されていることがより好ましい。アルミナ焼結体により反射壁３を形成するにはスクリーン印刷法などにより基板１上の反射壁３形成位置にペースト状のアルミナ粉末を塗布し、その後乾燥させ、さらにその上に開口部をやや小さくして順次同様の工程を繰り返すことにより、グリーンシートを階段状に複数層積層し積層体を形成し、その後、まとめて焼結することにより得られる。このように、基板１と反射壁３とは材料が同じアルミナ焼結体とすることで、基板１と反射壁３との密着性が優れ、アルミナ焼結体は金属板やＡｌＮよりも熱伝導率で劣るものの、従来反射ケースとして用いられている白色樹脂よりは１００倍程度熱伝導率がよく、ＬＥＤチップ２で発生する熱を基板から反射壁３に速やかに伝達し、反射壁３の広い表面積から放熱することができる。
なお、基板１に関しては、金属板やＡｌＮに比べて１桁程度熱伝導率が低下するが、基板１から実装基板への熱伝導に関しては実装基板によって異なり、必ずしも充分に実装基板側への熱伝導を行うことができないが、反射壁３に伝達された熱は広い表面積から確実に放熱され、安定した放熱をすることができると共に、基板１と反射壁３とを同じ材料で構成することにより、熱膨張率は同じで剥離などもないため、反射壁３から効率よく放熱することができ、トータル的に放熱効果が上昇する。とくに、本発明のように、複数のチップ各々の周囲に反射壁３を設ける場合には、反射壁３での放熱が、チップ型半導体発光素子の放熱特性を大きく左右することになるため、基板１と反射壁３の両方をアルミナ焼結体で形成することは非常に効果がある。
図３は、本発明の他の実施形態の平面および断面（図３（ａ）のＢ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面）の説明図である。この例では，基板１上の周囲以外に設けられる反射壁３は、前述のスクリーン印刷などで形成され、その後、外周部のみ、予め製造された反射ケース３ａをガラスバインダなどにより貼り付けられたものである。なお、図１と同様の符号はここでは省略してある。このような構成とすれば、反射壁３が、スペースのとらないスクリーン印刷により形成されているため、ＬＥＤチップ２の間の狭い空間にも正確に反射壁を形成しながら、外周には従来と同様の凹凸のない滑らかな傾斜面を有する反射ケース３ａを貼り付けることができる。しかも、背の高い反射ケース３ａを外周に取り付けることができるため、凹凸を有し、背の低い反射壁３で充分に反射させることができない光も、この反射ケース３ａにより完全に正面側に反射して有効に利用することができ、さらに輝度向上させることができる。
図１および図３に示される例では、青色発光のＬＥＤチップ２が用いられており、たとえば図４（ａ）に一例の断面構成例が示されるように、窒化物半導体を用いたＬＥＤとして形成されている。しかし、この例に限定されず、酸化亜鉛系（ＺｎＯ系）化合物などを用いることもできる。白色発光のチップ型半導体発光素子にする場合、ＬＥＤチップ２は、青色発光ではなく紫外光を発光する場合でも、紫外光を赤色、緑色、青色にそれぞれ変換する変換部材（蛍光体）を混合した樹脂層で被覆することにより、３原色の光の混合により白色にすることができる。このような紫外光を発光させるＬＥＤチップでも、同様に窒化物半導体や酸化亜鉛系化合物を用いて発光するように形成することができる。
ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。また、酸化亜鉛系化合物とは、Ｚｎを含む酸化物を意味し、具体例としては、ＺｎＯの他、IIＡ族元素とＺｎ、IIＢ族元素とＺｎ、またはIIＡ族元素およびIIＢ族元素とＺｎのそれぞれの酸化物を含むものを意味する。
このＬＥＤチップ２は、高輝度化を目的としているが、たとえば縦×横×高さが０.９ｍｍ×０.９ｍｍ×０.１２ｍｍ程度の従来の大きさのものを、たとえば９分割して０.３ｍｍ×０.３ｍｍ×０.１２程度の大きさにした小さいＬＥＤチップ２とされ、この場合には９個のＬＥＤチップ２が基板１上に配設されて半導体発光素子が形成されている。もっとも、分割する大きさはチップ型半導体発光素子の大きさや、基板上に設けようとするチップの数に応じて適宜変更可能である。なお、この例では、ＬＥＤチップ２の外形が断面形状で台形状（底面が０.３ｍｍ角、上面が０.２ｍｍ角）になっているが、直方体または立方体形状でもよい。しかし、テーパ状になっていることにより、光を正面側に照射しやすい。このような台形状にするには、たとえばウェハからチップ化する場合に、厚さがテーパ状になったブレードを用いることにより、切断溝がテーパ状になって台形状のＬＥＤチップ２が得られる。この場合、後述するように、エピタキシャル成長層側をダイシングすると半導体層にダメージを与えやすいため、基板（ＬＥＤチップ厚さの大部分は基板）側からダイシングをし、基板側を光取り出し面にすることが好ましい。
窒化物半導体を用いたＬＥＤは、図４（ａ）に示されるように、たとえばｎ形ＳｉＣ基板２１上に、たとえばＡｌＧａＮ系化合物（Ａｌの混晶比が０の場合も含み、種々のものを含むことを意味する、以下同じ）からなる低温バッファ層２２が０.００５〜０.１μｍ程度設けられている。そして、このバッファ層２２上に、たとえばｎ形ＧａＮ層などにより形成されるｎ形層２３が１〜５μｍ程度、たとえば１〜３ｎｍ程度のＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２４が０.０５〜０.３μｍ程度、たとえばｐ形ＧａＮ層などにより形成されるｐ形層２５が０.２〜１μｍ程度の厚さに順次積層されることにより半導体積層部２９が形成されている。そして、ｐ形層２５の表面に、たとえばＺｎＯからなる透光性導電層２６が０.１〜１０μｍ程度設けられ、その上の一部に、Ｔｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕなどの積層構造により、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さのｐ側電極２７が、ＳｉＣ基板１の裏面にＴｉ-Ａｌ合金またはＴｉ／Ａｕの積層構造などで、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さのｎ側電極２８がそれぞれ設けられることにより形成されている。なお、前述の台形状のチップにする場合、図４（ｂ）に概略図が示されるように、ＳｉＣ基板２１の裏面側から光を放射するように、ｎ側電極２８を小さく形成し、ｐ側電極２７を大きくして、ＳｉＣ基板２１をテーパ形状にすることが好ましい。
前述の例では、基板としてＳｉＣ基板を用いたが、この材料に限らず、ＧａＮやＧａＡｓなど他の半導体基板を用いることもできるし、サファイア基板を用いることもできる。ＳｉＣなどの半導体基板であれば、図４に示されるように、一方の電極を基板の裏面に設けることができるが、サファイアのような絶縁性の基板の場合には、積層された半導体層の一部をエッチングで除去して下層の導電形層（図４（ａ）の構成ではｎ形層２３）を露出させて、その露出部分に電極が形成される。なお、半導体基板を用いる場合、前述の例ではｎ形基板を用いて下層にｎ形層を形成しているが、基板および下層をｐ形層にすることも可能である。また、バッファ層２２も前述のＡｌＧａＮ系化合物には限定されず、他の窒化物層または他の半導体層などを用いることもできる。ＬＥＤチップ２の基板２１が絶縁基板である場合には、前述の基板１に設けられる一対の端子電極１１、１２との接続手段は、両方ともワイヤボンディングにより形成されるか、フェースダウンで両端子電極１１、１２に直接接着剤により接続することもできる。
さらに、ｎ形層２３およびｐ形層２５は、前述のＧａＮ層に限らず、ＡｌＧａＮ系化合物などでもよく、また、それぞれが単層ではなく、活性層側にＡｌＧａＮ系化合物のようなバンドギャップが大きくキャリアを閉じ込めやすい材料と、活性層と反対側にキャリア濃度を大きくしやすいＧａＮ層などとの複層で形成することもできる。また、活性層２４は、所望の発光波長に応じて、その材料は選択され、また、ＭＱＷ構造に限らず、ＳＱＷまたはバルク層で形成されてもよい。さらに、透光性導電層２６もＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯまたはＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でもよく、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができるものであればよい。Ｎｉ-Ａｕ層の場合、金属層であることから厚くすると透光性でなくなるため、薄く形成されるが、ＺｎＯやＩＴＯの場合は光を透過させるため、厚くても構わない。もっとも、図４（ｂ）に示されるように、基板２１側から光を取りだす場合は、透光性にする必要はなく、Ｎｉ−Ａｕ層などをｐ側電極として厚く形成することもできる。
このＬＥＤチップ２は、たとえば、導電性接着剤のような接続手段を介して第１端子電極と接続されている放熱用スルーホール４上（図１に示される例では９箇所）の第１ボンディング部１１ａ上にそれぞれダイボンディングされることにより、ＬＥＤチップ２の上部電極（ｐ側電極２７）が第１端子電極１１と電気的に接続され、ＬＥＤチップ２の基板２１側の電極（ｎ側電極２８）が金線などのワイヤ７により第２端子電極１２の第２ボンディング部１２ａと電気的に接続され、それぞれのチップが第１端子電極１１および第２端子電極１２との関係で並列接続されることになる。
前述の反射壁３や反射ケース３ａがスクリーン印刷やガラスバインダなどにより基板１上に形成され、このＬＥＤチップ２が複数個ダイボンディングされ、ワイヤボンディングがされた後に、その反射壁３内に露出するＬＥＤチップ２およびワイヤ７の部分を被覆するように、発光色変換部材（蛍光体）を混合した樹脂を充填することによりＬＥＤチップ２の発光する青色光を白色光に変換することができる。すなわち、発光色変換部材としては、たとえばユウロピウムで付活された酸化イットリウムなどの青色光を赤色に変換する赤色変換部材および、たとえば２価のマンガンおよびユーロビウムで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体などの緑色変換部材を用いることができ、これらの発光色変換部材をシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などに混合して反射壁３内に充填することにより図示しない封止樹脂層が形成される。なお、ＬＥＤチップ２が紫外光を発光する場合には、紫外光を赤色、緑色に変換する、たとえば上記発光色変換部材の他に、たとえばセリウム、ユウロビウムなどを付活剤としたハロリン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体などの紫外光を青色に変換するため発光色変換部材をさらに混合することにより、紫外光を赤緑青の光りとしてその混合により白色光に変換することができる。また、発光色を変換しない場合には、透光性の樹脂により封止される。
つぎに、このチップ型半導体発光素子の製法を説明する。なお、まず、０.３ｍｍ厚程度の大きなグリーンシート（多数個取りのシート）に放熱用スルーホール４を形成する貫通孔およびスルーホール１ａ用の貫通孔をパンチングなどにより開け、その表面に端子電極１１、１２用の金属膜を形成し、放熱用スルーホール４用の貫通孔内にＡｇなどの金属材料を充填することにより、図２（ｂ）に示されるような端子電極パターンが設けられた基板１を形成する。また、グリーンシートの裏面に基板１の表面に形成される端子電極１１、１２と接続して裏面電極１１ｂ、１２ｂを接続しておく。
引き続き、たとえばスクリーン印刷法などにより、基板上のチップを設ける位置各々を取り囲むようにペースト状のアルミナ粉末を塗布し、ついで乾燥させる。その上に開口部を僅かに小さくしたマスクを用いてペースト状のアルミナ粉末をさらに塗布し、乾燥する。このプロセスを数回繰り返し、上面に向かい段々狭くなる遮光壁３を階段状に積層し、その後、６００〜７００℃程度で焼結することにより、基板１と共にアルミナ焼結体からなりマス目状の反射壁３を形成する。また、他の方法としては、チップ型半導体発光素子の周囲以外の反射壁３は前述のスクリーン印刷により形成し、周囲の反射ケース３ａは、たとえばアルミナ焼結体によりポーラスに形成された反射ケース３ａをガラスバインダなどにより貼り付けて形成する。ポーラスにすることにより反射率および放熱性が向上する。この反射壁３は、ＬＥＤチップ２から放射される光を上面側にまとめて放射されるように横方向に向かってきた光を上面側に反射させるものである。なお、基板１および反射壁３にアルミナ焼結体を用いないで白色樹脂により反射壁３を形成する場合には塗布して積層した後に数百℃程度でベーキングすることにより固着することができる。
その後、絶縁性基板１の表面上の放熱用スルーホール４上の第１ボンディング部１１ａに青色または紫外の光を発光するＬＥＤチップ２をマウントし、ＬＥＤチップ２の電極（ｐ側電極およびｎ側電極）を端子電極１１、１２と電気的にそれぞれ接続する。図１に示される例では、ＬＥＤチップ２のｐ側電極が第１ボンディング部１１ａに導電性接着剤などの接続手段を用いて接続し、放熱用スルーホール４を介して第１端子電極１１と電気的に接続され、ｎ側電極（基板側電極）がワイヤ７などからなる接続手段を用いてボンディングすることにより第２端子電極１２と電気的に接続されている。
その後、各々のＬＥＤチップ２の上面の露出面および反射壁３の内面を覆うように、たとえばディスペンサなどにより、青色の光を緑色に変換する緑色変換部材と、青色の光を赤色に変換する赤色変換部材とを混入した樹脂を塗布することにより発光色変換樹脂を用いた封止樹脂層を形成する。塗布方法としては、ディスペンサによる塗布法でなくても、たとえば転写ピンによる転写法などによって行うこともできる。
以上のように本発明は、従来のＬＥＤチップを小さく分割した複数個のＬＥＤチップ２を基板１上に設け、それぞれのＬＥＤチップ２の周囲に反射壁３が設けられていることに特徴がある。すなわち、ＬＥＤチップ２は発光部から四方に光を放射するため、通常上面に放射すると共に、側面からも光を放射する。そして、側面から出射する光は反射壁３で反射し、上面方向に反射することになり、側面からの光も無駄なく発光に寄与することができる。そして、本発明では、従来のように大きなチップ１個を用いるのではなく、あえて小さい複数のＬＥＤチップ２に分割して、それぞれのＬＥＤチップ２の周囲に反射壁３を設けることで、側面の面積を従来よりも大きくすることができ、側面から出る光のトータル量を増加させることができる。
また、大きなチップ１個を用いその周囲に反射ケースが設けられている場合、チップ内部から側面に至るまでの間に吸収などにより減衰すると共に、側面から出た光でもチップと反射ケースとの距離が離れていることから、チップ側面から出た光が反射壁に到達するまでに光のロスを生じることもある。しかし、本発明では、ＬＥＤチップ２が小さく分割して離間して設けられると共に、それぞれのＬＥＤチップ２の周囲に反射壁３が設けられていることから、ＬＥＤチップ２内での減衰も少ないと共に、チップと反射壁３との距離が短く、殆ど光のロスがなく確実に反射壁３で上面方向へ反射させることができる。その結果、具体的には、大きなチップ１個を用いる場合に比べて約２０％程度輝度を向上させることができる。なお、ＬＥＤチップ２を細分化することにより、各ＬＥＤチップにワイヤボンディングをする必要があり、表面がワイヤボンディングにより覆われる面積が大きくなるように思われるが、大きな１個のＬＥＤチップでもチップの全体に電流を拡げるためには、ワイヤボンディング部分から金属配線を放射状に設ける必要があり、そのロスは余り変らない。
また、チップ型半導体発光素子全体の周囲だけを反射ケースで取り囲むのではなく、基板１上に設けられた複数のＬＥＤチップ２の周囲それぞれに反射壁３が個別に設けられているため、それぞれＬＥＤチップ２から出た光は、ＬＥＤチップ近傍の反射壁３でそれぞれ上方へ反射されることになる。そして、この反射壁３で分割された領域はチップの数に応じて細分化されているため、点光源が面内に分散化される。その結果、基板１の広い範囲の全体で均一に光り、チップ型半導体発光素子全体としても輝度の面内分布は極めて小さくなり、従来のチップサイズの大きなチップ１個を用いる場合と比較して面内分布は大幅に改善されることになる。
さらに、従来のように、チップサイズの大きなチップを用い、基板の周囲に反射ケースを設ける構成であれば、大電流駆動させた際、チップ内での熱伝導が悪く、また、チップから反射ケースまでの距離も遠いため、充分に反射ケースを通じて熱を放散できず、その結果チップが熱により劣化するなど信頼性悪化の問題があるが、本発明では、複数のＬＥＤチップ２に分割され、しかも分散して基板１上に設けられ、その近傍に反射壁３がそれぞれ設けられているため、ＬＥＤチップ２で発生した熱をすぐに反射壁３で放散することができる。また、ＬＥＤチップ２も基板１上に分散して設けられており、発熱領域も基板上の広い面積に分散されることになるため、熱による劣化も改善されることになる。
前述の例では、青色または紫外光のＬＥＤチップを用いて、白色光にするため、発光色変換用樹脂を封止樹脂としてワイヤなどを保護するようにしたが、本発明は、白色発光用素子に限定されるものではなく、高輝度で発熱しやすい半導体発光素子に適用することができる。
本発明によるチップ型半導体発光素子の一実施形態を説明する平面および断面の説明図である。 本発明によるチップ型半導体発光素子に用いる基板の電極パターンを説明する平面の説明図である。 本発明によるチップ型半導体発光素子の他の実施形態を説明する平面および断面の説明図である。 図１に示されるＬＥＤチップの積層構造を説明する断面説明図である。 従来のチップ型半導体発光素子の例を示す断面説明図である。
符号の説明
１ 基板
２ ＬＥＤチップ
３ 反射壁
４ 放熱用スルーホール
１１ 第１端子電極
１２ 第２端子電極

Claims (4)

  1. 基板と、該基板の一面の対向する両端部に電気的に分離して設けられる一対の端子電極と、前記基板の一面上に分離して設けられ、前記一対の端子電極と電気的に接続される複数個の発光素子チップと、該複数個の発光素子チップ各々の周囲を取り囲むように設けられる反射壁とからなるチップ型半導体発光素子。
  2. 前記反射壁の少なくとも一部が、ペースト材料の塗布による積層体により形成されてなる請求項１記載のチップ型半導体発光素子。
  3. 前記基板および反射壁が共にアルミナ焼結体を主材料とする材料により形成されてなる請求項１または２記載のチップ型半導体発光素子。
  4. 前記基板の前記複数の発光素子チップが設けられる位置にそれぞれ貫通孔が設けられ、該貫通孔内に前記基板よりも熱伝導率の大きい材料が埋め込まれてなる請求項１、２または３記載のチップ型半導体発光素子。
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