特開 2024-176847 半導体発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176847

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】半導体発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/54 20100101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01L33/54

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095680

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】木田 泉

(72)【発明者】

【氏名】稲津 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】柴田 直樹

【テーマコード（参考）】

5F142

【Ｆターム（参考）】

5F142AA52

5F142BA02

5F142BA32

5F142CA11

5F142CB03

5F142CD02

5F142CD18

5F142CD44

5F142CD47

5F142CG03

5F142CG05

5F142CG23

5F142CG45

(57)【要約】

【課題】半導体発光装置の光取り出し効率および信頼性を向上させる。
【解決手段】半導体発光装置１０は、パッケージ基板１４と、パッケージ基板１４上にフリップチップ接合される半導体発光素子１２と、パッケージ基板１４上の半導体発光素子１２の周囲に設けられる枠体１６と、パッケージ基板１４上の半導体発光素子１２を被覆し、枠体１６の上面１６ａを被覆し、半導体発光素子１２の発光波長において透光性を有する封止部材１８とを備える。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、半導体発光素子１２の上面１２ａの高さｈａよりも小さい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パッケージ基板と、
前記パッケージ基板上にフリップチップ接合される半導体発光素子と、
前記パッケージ基板上の前記半導体発光素子の周囲に設けられる枠体と、
前記パッケージ基板上の前記半導体発光素子を被覆し、前記枠体の上面を被覆し、前記半導体発光素子の発光波長において透光性を有する封止部材と、を備え、
前記枠体の前記上面の高さは、前記半導体発光素子の上面の高さよりも小さい半導体発光装置。

【請求項2】

前記パッケージ基板から前記枠体の前記上面までの高さは、前記パッケージ基板から前記半導体発光素子の前記上面までの高さの２０％以上８０％以下である、請求項１に記載の半導体発光装置。

【請求項3】

前記半導体発光素子の前記上面から前記封止部材の頂部までの高さは、前記パッケージ基板から前記半導体発光素子の前記上面までの高さよりも小さい、請求項１に記載の半導体発光装置。

【請求項4】

前記半導体発光素子は、前記パッケージ基板に接合するアノード電極およびカソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極上の半導体層と、前記半導体層上の透光性基板と、を備え、
前記枠体の前記上面の高さは、前記透光性基板の下面の高さよりも大きい、請求項１に記載の半導体発光装置。

【請求項5】

前記枠体の前記上面の高さは、前記透光性基板の厚さが半分となる中間高さよりも小さい、請求項４に記載の半導体発光装置。

【請求項6】

前記半導体発光素子の前記上面から前記封止部材の頂部までの高さは、前記透光性基板の厚さよりも小さい、請求項４に記載の半導体発光装置。

【請求項7】

前記透光性基板の厚さは、３００μｍ以上５００μｍ以下である、請求項４から６のいずれか一項に記載の半導体発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パッケージ基板上に接合される半導体発光素子を樹脂で封止した半導体発光装置が知られている。例えば、封止樹脂を上に向かって凸となるドーム状に形成することにより、光取り出し効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－５９７５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

封止部材をドーム状に形成する場合、半導体発光素子の上部に位置する封止部材の厚みを大きくする必要がある。封止部材の厚みを大きくすると、封止部材とパッケージ基板の材料の違いによって生じる歪みが大きくなり、封止部材の剥がれやクラックが発生しやすくなる。

【0005】

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光装置の光取り出し効率および信頼性を向上させる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様の半導体発光装置は、パッケージ基板と、パッケージ基板上にフリップチップ接合される半導体発光素子と、パッケージ基板上の半導体発光素子の周囲に設けられる枠体と、パッケージ基板上の半導体発光素子を被覆し、枠体の上面を被覆し、半導体発光素子の発光波長において透光性を有する封止部材と、を備える。枠体の上面の高さは、半導体発光素子の上面の高さよりも小さい。

【0007】

本発明によれば、半導体発光装置の光取り出し効率および信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る半導体発光装置の構成を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。

【0010】

図１は、実施の形態に係る半導体発光装置１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光装置１０は、半導体発光素子１２と、パッケージ基板１４と、枠体１６と、封止部材１８とを備える。

【0011】

半導体発光素子１２は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる紫外光を発するように構成される半導体発光素子である。このような波長の紫外光を出力するため、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料が用いられる。本実施形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ～３２０ｎｍの深紫外光を発するＤＵＶ－ＬＥＤ（Deep UltraViolet-Light Emitting Diode）チップについて示す。

【0012】

半導体発光素子１２は、透光性基板２０と、半導体層２２と、アノード電極２４と、カソード電極２６と、保護層２８とを備える。

【0013】

透光性基板２０は、半導体発光素子１２が発する紫外光に対して透光性を有する材料から構成される。半導体層２２が発する光は、透光性基板２０から半導体発光素子１２の外部に出力される。透光性基板２０は、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）から構成される。透光性基板２０は、上面２０ａと、下面２０ｂとを有する。上面２０ａおよび下面２０ｂは、例えば矩形状である。上面２０ａおよび下面２０ｂのサイズは特に限られないが、例えば１ｍｍ角である。透光性基板２０の上面２０ａから下面２０ｂまでの厚みｔは、例えば１００μｍ以上、２００μｍ以上または３００μｍ以上であり、例えば１０００μｍ以下、７００μｍ以下または５００μｍ以下である。

【0014】

半導体層２２は、透光性基板２０の下に設けられ、透光性基板２０の下面２０ｂに設けられる。半導体層２２は、例えば、ｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層とを備える。半導体層２２は、ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される。ＡｌＧａＮ系半導体材料は、Ｉｎ_{１－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の組成で表すことができる。半導体層２２は、保護層２８によって被覆される。

【0015】

アノード電極２４は、第１コンタクト電極２４ａと、第１パッド電極２４ｂとを含む。第１コンタクト電極２４ａは、半導体層２２と接触する内部電極であり、半導体層２２に含まれるｐ型半導体層と接触する。第１コンタクト電極２４ａは、例えば、Ｒｈなどの金属層から構成される。第１コンタクト電極２４ａは、保護層２８によって被覆される。第１パッド電極２４ｂは、保護層２８の外側に露出する外部電極であり、保護層２８に設けられる開口を介して第１コンタクト電極２４ａと電気的に接続される。第１パッド電極２４ｂは、Ｎｉ／Ａｕなどの金属層から構成される。

【0016】

カソード電極２６は、第２コンタクト電極２６ａと、第２パッド電極２６ｂとを含む。第２コンタクト電極２６ａは、半導体層２２と接触する内部電極であり、半導体層２２に含まれるｎ型半導体層と接触する。第２コンタクト電極２６ａは、例えば、Ｔｉ／Ａｌなどの金属層から構成される。第２コンタクト電極２６ａは、保護層２８によって被覆される。第２パッド電極２６ｂは、保護層２８の外側に露出する外部電極であり、保護層２８に設けられる開口を介して第２コンタクト電極２６ａと電気的に接続される。第２パッド電極２６ｂは、Ｎｉ／Ａｕなどの金属層から構成される。

【0017】

保護層２８は、半導体層２２、第１コンタクト電極２４ａおよび第２コンタクト電極２６ａを被覆する。保護層２８は、酸化物や窒化物などの誘電体材料から構成され、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化アルミウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などから構成される。保護層２８は、材料の異なる複数の保護層の積層体から構成されてもよい。

【0018】

パッケージ基板１４は、平板形状を有し、接合面１４ａと、裏面１４ｂとを有する。パッケージ基板１４は、接合面１４ａに設けられる第１接合電極３０および第２接合電極３２を備える。パッケージ基板１４は、裏面１４ｂに設けられる第１実装電極３４および第２実装電極３６を備える。第１接合電極３０は、パッケージ基板１４の内部において第１実装電極３４と電気的に接続される。第２接合電極３２は、パッケージ基板１４の内部において第２実装電極３６と電気的に接続される。パッケージ基板１４は、例えば無機材料から構成され、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック材料から構成される。

【0019】

半導体発光素子１２は、パッケージ基板１４上にフリップチップ接合される。半導体発光素子１２は、第１接合電極３０および第２接合電極３２に接合される。半導体発光素子１２は、第１接合部３８および第２接合部４０を介してパッケージ基板１４に接合される。第１接合部３８は、アノード電極２４（第１パッド電極２４ｂ）と第１接合電極３０の間に設けられ、アノード電極２４と第１接合電極３０を電気的に接続する。第２接合部４０は、カソード電極２６（第２パッド電極２６ｂ）と第２接合電極３２の間に設けられ、カソード電極２６と第２接合電極３２を電気的に接続する。

【0020】

第１接合部３８および第２接合部４０は、例えば、スタッドバンプである。第１接合部３８および第２接合部４０は、例えば、Ａｕなどの金属ワイヤの先端部を溶融させてボール状にしたものを第１接合電極３０および第２接合電極３２に押しつけることによりそれぞれ形成される。第１接合電極３０および第２接合電極３２に形成された第１接合部３８および第２接合部４０は、例えば超音波接合によってアノード電極２４（第１パッド電極２４ｂ）およびカソード電極２６（第２パッド電極２６ｂ）にそれぞれ接合される。

【0021】

半導体発光素子１２がパッケージ基板１４に接合された状態において、パッケージ基板１４（接合面１４ａ）から透光性基板２０の下面２０ｂまでの高さｈｂは、例えば透光性基板２０の厚さｔよりも小さく、例えば透光性基板２０の厚さの半分ｔ／２よりも小さい。パッケージ基板１４から透光性基板２０の下面２０ｂまでの高さｈｂは、例えば２００μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下または３０μｍ以下である。パッケージ基板１４から透光性基板２０の下面２０ｂまでの高さｈｂは、例えば１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上または２５μｍ以上である。

【0022】

半導体発光素子１２がパッケージ基板１４に接合された状態において、パッケージ基板１４（接合面１４ａ）から半導体発光素子１２の上面１２ａ（透光性基板２０の上面２０ａ）までの高さｈａは、例えば１００μｍ以上、２００μｍ以上、３００μｍ以上または４００μｍ以上である。パッケージ基板１４から半導体発光素子１２の上面１２ａまでの高さｈａは、例えば１０００μｍ以下、７００μｍ以下、６００μｍ以下または５００μｍ以下である。

【0023】

枠体１６は、パッケージ基板１４上の半導体発光素子１２の周囲に設けられる。枠体１６は、例えばパッケージ基板１４の外周に沿って、パッケージ基板１４の全周にわたって設けられる。枠体１６は、パッケージ基板１４の外周から離れて設けられてもよく、パッケージ基板１４の外周よりも内側にずれた位置に設けられてもよい。枠体１６の上面１６ａを見たときの枠体１６の形状は、矩形状であり、例えば正方形状である。なお、枠体１６の上面１６ａを見たときの枠体１６の形状は、円形状であってもよい。枠体１６は、例えばパッケージ基板１４と同じ材料で形成され、パッケージ基板１４と一体的に成型される。枠体１６は、パッケージ基板１４とは異なる材料で形成されてもよい。枠体１６は、パッケージ基板１４とは別体として成型されてもよく、任意の接合材料によってパッケージ基板１４の接合面１４ａに接合されてもよい。

【0024】

枠体１６は、上面１６ａを有する。枠体１６の上面１６ａは、例えば平坦面である。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、半導体発光素子１２の上面１２ａ（透光性基板２０の上面２０ａ）の高さｈａよりも小さい。パッケージ基板１４から枠体１６の上面１６ａまでの高さｈ１は、例えばパッケージ基板１４から半導体発光素子１２の上面１２ａまでの高さｈａの８０％以下、７０％以下、６０％以下または５０％以下である。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、例えば透光性基板２０の厚さｔが半分（ｔ／２）となる中間位置２０ｃにおける高さ（中間高さｈｃ）よりも小さい。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、例えば透光性基板２０の下面２０ｂの高さｈｂよりも大きい。パッケージ基板１４から枠体１６の上面１６ａまでの高さｈ１は、例えばパッケージ基板１４から半導体発光素子１２の上面１２ａまでの高さｈａの２０％以上、３０％以上、４０％以上または５０％以上である。

【0025】

枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、例えば５０μｍ以上、１００μｍ以上、１５０μｍ以上または２００μｍ以上である。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１は、例えば７００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下または３００μｍ以下である。枠体１６の上面１６ａの高さｈ１と半導体発光素子１２の上面１２ａの高さｈａの差Δｈ（＝ｈａ－ｈ１）は、例えば５０μｍ以上、１００μｍ以上または２００μｍ以上であり、例えば５００μｍ以下、４００μｍ以下または３００μｍ以下である。

【0026】

封止部材１８は、パッケージ基板１４上の半導体発光素子１２を被覆する。封止部材１８は、例えば、枠体１６よりも内側の領域を充填する。封止部材１８は、枠体１６の上面１６ａを被覆する。封止部材１８は、半導体発光素子１２の発光波長において透光性を有する材料から構成される。封止部材１８は、半導体発光素子１２のピーク発光波長における内部透過率が５０％以上であり、好ましくは７０％以上、８０％以上または９０％以上である。封止部材１８は、透光性基板２０よりも低屈折率の材料から構成される。封止部材１８は、例えば、シリコーン樹脂やフッ素樹脂から構成される。封止部材１８は、樹脂ではなく、石英などの無機材料またはガラス材料から構成されてもよい。封止部材１８は、例えば蛍光体を含まないように構成される。

【0027】

封止部材１８は、例えば上に凸となるレンズ形状またはドーム形状を有する。封止部材１８の頂部４２は、例えばパッケージ基板１４に接合される半導体発光素子１２の上部に位置する。封止部材１８は、半導体発光素子１２の上面１２ａの全体を被覆し、透光性基板２０の上面２０ａの外周を形成する角部２０ｄを被覆するように形成される。半導体発光素子１２の上面１２ａから封止部材１８の頂部４２までの高さｈ２は、例えば５０μｍ以上、１００μｍ以上または２００μｍ以上である。半導体発光素子１２の上面１２ａから封止部材１８の頂部４２までの高さｈ２は、例えば透光性基板２０の厚さの半分ｔ／２よりも大きい。半導体発光素子１２の上面１２ａから封止部材１８の頂部４２までの高さｈ２は、例えば５００μｍ以下、４００μｍ以下または３００μｍ以下である。半導体発光素子１２の上面１２ａから封止部材１８の頂部４２までの高さｈ２は、例えばパッケージ基板１４から半導体発光素子１２の上面１２ａまでの高さｈａよりも小さく、透光性基板２０の厚さｔよりも小さい。半導体発光素子１２の上部に位置する封止部材１８の高さｈ２を小さくすることにより、封止部材１８の剥がれやクラックの発生を抑制できる。

【0028】

本実施形態によれば、枠体１６の上面１６ａの高さｈ１を、半導体発光素子１２の上面１２ａの高さｈａよりも小さくすることにより、半導体発光素子１２の上面１２ａを被覆する封止部材１８の高さｈ２を小さくできる。別の言い方をすれば、枠体１６の上面１６ａの高さｈ１を下げることにより、より少ない量の封止部材１８を用いて半導体発光素子１２を被覆する封止部材１８をドーム形状にすることができる。その結果、封止部材１８の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置１０の信頼性を向上できる。

【0029】

本実施形態によれば、封止部材１８が枠体１６の上面１６ａを被覆するように設けられるため、枠体１６の上面１６ａに封止部材１８が設けられない場合に比べて、封止部材１８の上面の曲率を緩やかにできる。これにより、半導体発光素子１２の上面１２ａを被覆する封止部材１８の高さｈ２を小さくでき、より少ない量の封止部材１８を用いて半導体発光素子１２を被覆する封止部材１８をドーム形状にすることができる。その結果、封止部材１８の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置１０の信頼性を向上できる。

【0030】

本実施形態によれば、封止部材１８が枠体１６の上面１６ａを被覆するように設けられるため、透光性基板２０の厚みｔが大きく、半導体発光素子１２の高さｈａが大きい場合であっても、半導体発光素子１２の全体を封止部材１８によって被覆することが容易となる。その結果、透光性基板２０からの光取り出し効率を向上させることができ、半導体発光装置１０の光出力を向上できる。

【0031】

以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上述の実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

【0032】

以下、本発明のいくつかの態様について説明する。

【0033】

本発明の第１の態様は、パッケージ基板と、前記パッケージ基板上にフリップチップ接合される半導体発光素子と、前記パッケージ基板上の前記半導体発光素子の周囲に設けられる枠体と、前記パッケージ基板上の前記半導体発光素子を被覆し、前記枠体の上面を被覆し、前記半導体発光素子の発光波長において透光性を有する封止部材と、を備え、前記枠体の前記上面の高さは、前記半導体発光素子の上面の高さよりも小さい半導体発光装置である。第１の態様によれば、半導体発光素子を被覆する透光性の封止部材を設けることにより、半導体発光装置の光取り出し効率を向上できる。また、枠体の上面の高さを小さくすることにより、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくできる。枠体の上面にも封止部材が設けられるため、封止部材の上面の曲率を緩やかにし、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくできる。半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくすることにより、封止部材の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0034】

本発明の第２の態様は、前記パッケージ基板から前記枠体の前記上面までの高さは、前記パッケージ基板から前記半導体発光素子の前記上面までの高さの２０％以上８０％以下である、第１の態様に記載の半導体発光装置である。第２の態様によれば、枠体の上面の高さを半導体発光素子の高さの２０％以上にすることにより、封止部材の上面の曲率を緩やかにし、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくできる。また、枠体の上面の高さを半導体発光素子の高さの８０％以下にすることにより、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくできる。半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくすることにより、封止部材の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0035】

本発明の第３の態様は、前記半導体発光素子の前記上面から前記封止部材の頂部までの高さは、前記パッケージ基板から前記半導体発光素子の前記上面までの高さよりも小さい、第１または第２の態様に記載の半導体発光装置である。第３の態様によれば、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくすることにより、封止部材の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0036】

本発明の第４の態様は、前記半導体発光素子は、前記パッケージ基板に接合するアノード電極およびカソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極上の半導体層と、前記半導体層上の透光性基板と、を備え、前記枠体の前記上面の高さは、前記透光性基板の下面の高さよりも大きい、第１から第３のいずれか一つの態様に記載の半導体発光装置である。第４の態様によれば、枠体の上面の高さを透光性基板の下面の高さよりも大きくすることにより、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さをより好適に小さくすることができ、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0037】

本発明の第５の態様は、前記枠体の前記上面の高さは、前記透光性基板の厚さが半分となる中間高さよりも小さい、第４の態様に記載の半導体発光装置である。第５の態様によれば、枠体の上面の高さを透光性基板の中間高さよりも小さくすることにより、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さをより好適に小さくすることができ、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0038】

本発明の第６の態様は、前記半導体発光素子の前記上面から前記封止部材の頂部までの高さは、前記透光性基板の厚さよりも小さい、第４または第５の態様に記載の半導体発光装置である。第６の態様によれば、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを透光性基板の厚さよりも小さくすることにより、封止部材の剥がれやクラックの発生を抑制でき、半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【0039】

本発明の第７の態様は、前記透光性基板の厚さは、３００μｍ以上５００μｍ以下である、第４から第６のいずれか一つの態様に記載の半導体発光装置である。第７の態様によれば、透光性基板の厚みが大きい場合であっても、高さの小さい枠体を設けることにより、半導体発光素子の上面を被覆する封止部材の高さを小さくすることができる。これにより、封止部材の剥がれやクラックの発生を抑制して半導体発光装置の信頼性を向上できる。

【符号の説明】

【0040】

１０…半導体発光装置、１２…半導体発光素子、１２ａ…上面、１４…パッケージ基板、１６…枠体、１６ａ…上面、１８…封止部材、２０…透光性基板、２０ａ…上面、２０ｂ…下面、２２…半導体層、２４…アノード電極、２６…カソード電極、２８…保護層、４２…頂部。

【図1】