DE19861398B4

DE19861398B4 - Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE19861398B4
Application number: DE19861398A
Authority: DE
Inventors: Shinji Isokawa; Hidekazu Toda
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: US6121637A

Abstract

Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung mit:
einem ersten und einem zweiten leitenden, Element;
einem lichtabstrahlenden Chip (3);
einem Bondmaterial (19), das den lichtabstrahlenden Chip auf dem ersten oder dem zweiten leitenden Element im Rohchipzustand verbindet;
Verbindungseinrichtungen zum elektrischen Verbinden von zwei Elektroden des lichtabstrahlenden Chips (3) mit dem ersten bzw. dem zweiten leitenden Element; und
einem Gehäuse (18, 6) aus Harz zur Bedeckung des lichtabstrahlenden Chips und einer Umgebung des lichtabstrahlenden Chips (3),
wobei das Bondmaterial aus einem weißlichem Bondmaterial ausgebildet ist, das durch Mischung von Bornitrid mit einem durchsichtigen Epoxidharz hergestellt ist, und wobei das weißliche Bondmaterial eine direkte Reflexion des Lichts, das zur hinteren Oberfläche des Chips hin vordringt, durch das weißliche Bondmaterial ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eine kleine Licht abstrahlende Vorrichtung nach Chipbauart, die durch einen auf die Oberfläche eines flachen Substrats gebondeten Licht abstrahlenden Chip gebildet wird, oder eine Licht abstrahlende Vorrichtung nach Leuchtenbauart, bei der ein Licht abstrahlender Chip in eine an der Spitze eines Leiters ausgebildete gekrümmte Aussparung gebondet ist, wobei deren Umgebung mit einem kalottenförmigen Gehäuse bedeckt ist. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Licht abstrahlende Vorrichtung, welche die von dem Licht abstrahlenden Chip abgegeben Strahlungsleistung steigern kann und dadurch die Leuchtkraft verbessert.
Im Zuge der Miniaturisierung tragbarer Geräte wie beispielsweise tragbarer Telefone und PHS existieren stetig wachsende Anforderungen nach geringem Gewicht und Kompaktheit der darin verwendeten Licht abstrahlenden Vorrichtungen und anderen Vorrichtungen, und es wurden kleine dünne Licht abstrahlende Vorrichtungen nach Chipbauart entwickelt.
Wie in 5(a) dargestellt, sind in der kleinen dünnen Licht abstrahlenden Vorrichtung nach Chipbauart Anschlußelektroden 1 und 2 an beiden Enden eines Substrats 10 ausgebildet, ist ein (nachstehend LED-Chip bezeichneter) Licht abstrahlender Chip 3 mittels einer Silberpaste, durchsichtigem Epoxidharz o. ä. auf eine Elektrode Chip-gebondet („die-bonding”, nachstehend vereinfachend „bonden” genannt), die mit einer der Anschlußelektroden 1 elektrisch verbunden ist, so daß sie einen Teil der Anschlußelektrode ausbildet, wobei die untere Elektrode direkt mit der Anschlußelektrode 1 kontaktiert ist, und die obere Elektrode mit der anderen Anschlußelektrode 2 durch einen Golddraht 4 verdrahtet ist. Auf diese Weise sind die jeweiligen Teile elektrisch verbunden. Als das Substrat 10 wird ein isolierendes Substrat aus einem Material wie beispielsweise einem BT-Harzmaterial verwendet, bei dem ein Glasstoff mit einem hitzebeständigen BT-Harz getränkt ist. Wie in 5(b) dargestellt, wird weiterhin beispielsweise die Grenzfläche 43 eines pn-Übergangs (Licht abstrahlende Schicht) ausgebildet, indem eine n-dotierte Halbleiterschicht 41 aus GaAs, GaP, o. ä. mit einer p-dotierten Halbleiterschicht 42 verbunden wird und Elektroden 44 und 45 auf deren entsprechenden Oberflächen ausgebildet werden. Auf diese Weise wird der LED-Chip 3 ausgebildet. Durch ein Harz, wie beispielsweise ein durchsichtiges oder milchig-weißes Epoxidharz wird auf der Oberfläche des Substrats 10 ein Gehäuse 6 ausgebildet, welches den LED-Chip 3 und den Golddraht 4 bedeckt und schützt.
Im Zuge der vorstehend beschriebenen Entwicklung von leichten, dünnen und kleinen elektronischen Geräten gab es starke Anforderungen zur weiteren Miniaturisierung von Licht abstrahlenden Vorrichtungen nach Chipbauart und einer kleinstmöglichen Fertigung von LED-Chips. Hinsichtlich derartiger Vorrichtungen wurde ebenfalls eine hohe Effizienz und eine hohe Leuchtkraft gefordert. Die bekannte Licht abstrahlende Vorrichtung wird in diesem Fall hergestellt, indem sie auf der Oberfläche einer der Anschlußelektroden angebracht und verdrahtet wird, wie vorstehend beschrieben. Da diese Anschlußelektroden durch Anwenden einer Goldmetallisierung auf Kupferstrukturen ausgebildet werden, neigen sie dazu, das Licht zu absorbieren, das die hintere Seite des Substrats des LED-Chips 3 erreicht. Insbesondere im Fall bläulich gefärbter LED-Chips mit Saphirsubstraten erreicht Licht die hintere Seite, ohne allzu sehr gedämpft worden zu sein, wobei das Licht dort wahrscheinlich absorbiert wird, da bläuliche Wellenlängen insbesondere durch gelbliche Farben (Gold) leicht absorbiert werden. Das resultierende Problem ist, daß durch bläulich gefärbte LED-Chips abgestrahltes Licht nicht effektiv verwendet wird.
Wie in 6(a) in einer Teilquerschnittvorderansicht dargestellt, ist eine Licht abstrahlende Vorrichtung nach Leuchtenbauart wie folgt aufgebaut: Ein Paar Leiter 11 und 12 werden eingebaut, die aus einem mit Silber metallisierten Eisenmaterial gebildet sind, ein Befestigungsabschnitt 15 wird auf der Spitze des Leiters 12 ausgebildet, und eine Aussparung 15b wird im wesentlichen in der Mitte des Anbringungsabschnitts 15 ausgebildet. Unter Verwendung eines Bondmaterials wie Silberpaste oder durchsichtiges Epoxidharz wird ein LED-Chip 3 auf die Innenseite der Aussparung 15b gebondet. Als LED-Chip 3 wird ein Chip mit einer roten, grünen oder anderen Farbe verwendet, der mit oberen und unteren Elektroden versehen ist. In 6(a) ist ein bläulich gefärbter LED-Chip veranschaulicht, der aus gestapelten Schichten aus einem GaN basierten Verbindungshalbleiter wie GaN auf einem Saphirsubstrat ausgebildet wird. Daher werden zwei Elektroden auf der oberen Oberflächenseite angebracht und mit dem Leiterpaar 11 und 12 jeweils durch Metalldrähte 4 wie beispielsweise Golddrähte elektrisch verbunden. Weiterhin wird der Umgebungsbereich durch ein durchsichtiges oder durchlässiges (für Lichtabstrahlungswellenlängen des LED-Chips durchsichtig) synthetisches Harz geformt, so daß ein aus dem Harz erzeugtes Gehäuse 18 ausgebildet wird. Diese Gehäuse 18 ist mit einer Linse 18a mit einer im wesentlichen halbkugelartigen Form in ihrem Oberteil ausgebildet.
Die hintere Oberfläche des LED-Chips 3 ist durch ein Bondmaterial 20 wie Silberpaste oder durchsichtiges Epoxidharz gebondet, und zur hinteren Oberfläche hin vordringendes Licht wird, wie in 6(b) gezeigt, reflektiert. Von dem LED-Chip abgestrahltes Licht dringt hauptsächlich geradeaus von der oberen Oberfläche vor, wird durch die Linse 18a des Gehäuses 18 gebrochen und weiter nach außen abgestrahlt, wobei es in Richtung der Mittelachse gebündelt wird. Ein Teil des von dem LED-Chip 3 abgestrahlten Lichts dringt zu der hinteren Oberfläche des LED-Chips 3 hin vor (mit E bezeichnet) und wird durch das Bondmaterial 20 oder der Grundoberfläche der Aussparung 15b reflektiert, wobei reflektiertes Licht R ausgebildet wird. Das reflektierte Licht R dringt ebenfalls von der oberen Oberfläche des LED-Chips 3 vorwärts, wird durch die Linse 18a gebrochen und nach außen abgestrahlt.
Die bekannte Licht abstrahlende Vorrichtung nach Leuchtenbauart weist diesen Aufbau auf, und wenn Silberpaste als Bondmaterial 20 verwendet wird, reflektiert diese das Licht E, das zu der hinteren Oberflächenseite hin vorgedrungen ist. Wenn durchsichtiges Epoxidharz als Bondmaterial 20 verwendet wird, durchdringt es das Bondmaterial 20 und wird durch die Silbermetallisierung 15a auf der Grundoberfläche der Aussparung 15b reflektiert. Die Reflektionsrate der Silberpaste bzw. der Silbermetallisierung ist jedoch nicht besonders hoch. Aus diesem Grund wird zu der Grundoberflächenseite des LED-Chips 3 hin vorgedrungenes Licht nicht effektiv verwendet, was zu dem Problem führt, daß die Effektivität des nach außen abzustrahlenden Lichts nicht ausreichend verbessert ist.
Darüber hinaus liegt die Wärmeleitfähigkeit λ von Silber in dem Bereich von 35·10^–2 bis 46·10^–2 W/(m·K) (300 bis 400 cal/(m·h·deg)), während die von Epoxidharz 3,14·10^–4 W/(m·K) (0,27 cal/(m·h·deg)) beträgt. Wenn ein LED-Chip an ein Anbauelement durch Epoxidharz gebondet wird, findet daher keine vorteilhafte Wärmeableitung der Licht abstrahlenden Vorrichtung statt, was gelegentlich zu einem Farbumschlag des durchsichtigen Epoxidharzes führt. Ein derartiger Farbumschlag des durchsichtigen Epoxidharzes verursacht außerdem eine sinkende Lichtabstrahlung des LED-Chips.
Ferner wird gewürdigt, daß die Druckschrift JP 9135040 A eine Lichtemissionsdiode zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit eines Lichtemissionschips mit einem Substrat und zur Erhöhung der Strahlungsausgabe des Chips offenbart. Dabei wird der Chip mit positiven und negativen Elektroden auf derselben Oberflächenseite unmittelbar auf dem Substrat als Rohchip verbunden, und beide Elektroden auf dem Chip werden mit einem Leiterbahnmuster verdrahtet. Dabei besteht das Substrat aus einem elektrisch isolierenden hochfesten Element und reflektiert die Lichtemission von einem Lichtemissionschip an seiner Oberfläche. Ein Leiterbahnmuster ist auf der Oberfläche des Substrates ausgebildet, und der Chip ist auf dem Substrat über ein Verbindungsmittel als Rohchip verbunden.
Weiterhin offenbart die Patentschrift US 3908040 A ein Verfahren zum Einkapseln. Dieses umfasst ein Bedecken des einzukapselnden Stücks mit einem Epoxidharz, der biskontinuierliches Graphit und/oder BN-Fasern enthält, sowie ein Ausheilen des Epoxidharzes, um dadurch ein Erzeugnis zu erhalten, das einen niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das Verfahren ist insbesondere zum Einkapseln von empfindlichen elektrischen, optischen und mechanischen Elementen gedacht, die Wärmeverspannungen nicht widerstehen können.
Die Druckschrift EP 0322165 B1 offenbart ein wärmeleitfähiges Material, das als Wärmeübertragungsmaterial für elektrische Bauelemente verwendet werden soll. Dabei wird eine Keramik-Polymer-Zusammensetzung beschrieben, die als Haftmittel/Klebstoff für die Befestigung elektrischer Bauelemente an Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen, Hochleistungsbauelementen wie Transistoren an Kühlkörpern (Wärmeableitern, Laminaten, Hybridsubstraten für elektrische Bauelemente und schließlich Verkapselungszusammensetzungen für die Verwendung in integrierten Schaltungen) eingesetzt werden kann, wenn die Ableitung der Wärme ein kritisches Erfordernis für das Verkapselungsmittel ist. Diese wärmeleitfähige Polymer-Zusammensetzung umfasst eine Mischung aus einem Polymer und einem wärmeleitfähigen Füllstoffmaterial, wobei das Füllstoffmaterial BN, SiC oder AlN sein kann.
Schließlich offenbart die Druckschrift JP 09-064421 A eine Nitridhalbleiterlichtemissionsdiode zur Verringerung der Abnahme bei der externen Quanteneffizienz und zum Verbessern der Wärmeabstrahlungseigenschaften durch Ausbildung eines Nitridhalbleiters mit einer Lichtemissionsschicht auf der ersten Hauptoberflächenseite eines transparenten Substrates, Ausbilden einer reflektierenden Schicht zum Reflektieren des Lichtes der Emissionsschicht an der zweiten Hauptoberflächenseite und Verbinden der zweiten Hauptoberfläche mit der reflektierenden Schicht mit einem stützenden Element durch ein Metall enthaltendes leitendes Material. Das leitende Material weist dabei eine Silberpaste auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Probleme durch eine Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung zu lösen, die durch den LED-Chip abgestrahltes Licht so effektiv wie möglich verwendet, indem selbst Licht reflektiert wird, das von dem LED-Chip zur Substratseite, also zur hinteren Oberflächenseite hin abgestrahlt wurde, und indem die Leuchtkraft durch Verbesserung der äußeren Lichtabstrahlungseffektivität (einem Verhältnis des nach außen abzustrahlenden Lichts) erhöht wird.
Dabei soll eine Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung geschaffen werden, die Wärme von dem LED-Chip effektiv ableitet, indem ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit als Bondmaterial des LED-Chips unter Aufrechterhaltung einer hohen Reflexionsrate verwendet wird, wodurch ein Farbumschlag des Bondmaterials verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der Ausdruck „weißliche Farbe” bezieht sich hier auf eine auf Weiß basierende Farbe, die andere leicht gemischte Farben wie beispielsweise Cremefarbe umfaßt.
Durch die Verwendung eines weißlichen Materials als Bondmaterial, mit dem der LED-Chip gebondet wird, ist es möglich, Licht zu der LED-Chipseite hin zu reflektieren, bevor es das Substrat erreicht, und folglich die Reflexionseffektivität zu verbessern. Hinsichtlich des weißlichen Materials wird ein aus Bornitrid (BN) und durchsichtigem Epoxidharz nach Patentanspruch 1 gemischtes Material angewendet.
Wenn der LED-Chip ein aus Galliumnitrid basierten Verbindungshalbleiterschichten gebildeter bläulich gefärbter Chip ist, kann zu der Grundoberflächenseite des Substrats hin vorgedrungenes Licht effektiver verwendet werden, da das LED-Chip-Substrat aus durchsichtigem Saphirsubstrat gebildet ist, das kaum das abgestrahlte Licht absorbiert. Daher verstärkt sich der Effekt des erfindungsgemäßen Aufbaus. Da die Elektroden von der Oberflächenseite herausgeführt werden können, ist diese Anordnung außerdem im Fall eines bläulich gefärbten LED-Chips, ohne die Notwendigkeit sie an den Anschlußelektroden anzubringen, eher zu bevorzugen.
Der Ausdruck „Galliumnitrid basierter Verbindunghalbleiter” bezieht sich hier auf einen Halbleiter, der eine Verbindung mit einem Gruppe III-Element Ga und einem Gruppe V-Element N aufweist, wobei das Gruppe III-Element Ga teilweise oder ganz durch andere Gruppe III-Elemente wie Al und In ersetzt werden kann und das Gruppe V-Element N teilweise durch andere Gruppe V-Elemente wie P und As ersetzt werden kann.
Hinsichtlich des isolierenden Substrats wird bevorzugt ein hitzebeständiges Substrat angewendet, da eine höhere Reflexionsrate aufrechterhalten werden kann, ohne selbst nach einer langen Zeit einen Farbumschlag aufgrund hoher Temperaturen zu verursachen. Darüber hinaus wird bevorzugt ein keramisches Substrat angewendet, da es eine bessere Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, wodurch selbst bei hohen Temperaturen keine Reduktion in der Lichtabstrahlungseffektivität verursacht wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Licht abstrahlenden Vorrichtung nach Chipbauart als einem Vergleichsbeispiel;
2 eine Querschnittansicht eines Beispiels eines LED-Chips aus 1;
3(a) und 3(b) perspektivische Querschnittansichten einer Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung eines Ausführungsbeispiels;
4 eine Querschnittansicht der Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung des Ausführungsbeispiels;
5(a) und 5(b) perspektivische Ansichten eines Beispiels einer bekannten Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung und ihres LED-Chips; und
6(a) und 6(b) Ansichten einer bekannten Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung nach Leuchtenbauart und die Vordringrichtung des zu deren hinteren Oberflächenseite hin gestrahlten Lichts.
Die erfindungsgemäße Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung nach Chip-Bauart weist gemäß eines Vergleichsbeispiels, welches in 1 in perspektivischer Ansicht verdeutlicht ist, eine erste und zweite Anschlußelektrode 1 und 2 auf, welche an beiden Seiten der Oberfläche eines isolierenden Substrats 10 angebracht sind. Ein LED-Chip 3 ist direkt zwischen der ersten und zweiten Anschlußelektrode 1 und 2 an die Oberfläche des isolierenden Substrats 10 gebondet. Eine n-seitige Elektrode 39 und eine p-seitige Elektrode 38 des LED-Chips 3 sind jeweils mit der ersten Anschlußelektrode 1 und der zweiten Anschlußelektrode 2 durch Metalldrähte wie beispielsweise Golddrähte verbunden.
Das isolierende Substrat 10 ist ein aus beispielsweise keramischem Material wie Aluminium oder Aluminiumnitrid gebildetes isolierendes Substrat mit einer Größe von ungefähr 0,8 mm·1,6 mm und einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm, wodurch der Forderung nach Miniaturisierung für die Licht abstrahlende Vorrichtung nach dieser Bauart entsprochen wird. Das isolierende Substrat ist vorzugsweise in einer weißlichen Farbe ausgelegt, so daß von dem LED-Chip abgestrahlte Lichtstrahlen mit Farben wie beispielsweise Blau ohne Absorption reflektiert werden. Ein bläulich gefärbt LED-Chip 3, dessen Substrat aus Saphir gebildet und daher wie nachstehend beschrieben durchsichtig ist, ermöglicht den wirksamen Erhalt von bis zur hinteren Oberflächenseite des LED-Chip-Substrats vorgedrungenem Licht, wenn es in Verbindung mit einem weißlich gefärbten isolierenden Substrat verwendet wird, wodurch besonders bemerkenswerte Wirkungen erzeugt werden. Eine vollständig weiße Farbe des Substrats ist optimal, da der höchste Reflexionsgrad erzielt wird. Es kann jedoch auch eine andere leicht gemischte Farbe, wie beispielsweise eine Cremefarbe verwendet werden, solange es eine auf Weiß basierende Farbe ist. Überdies ist eine weißliche Farbe nicht für die gesamte Oberfläche notwendig, solange zumindest der Abschnitt, auf dem der LED-Chip angebracht ist, eine weißliche Farbe aufweist. Weiterhin ist das isolierende Substrat 10 vorzugsweise mit einer Hitzebeständigkeit bis ungefähr 700°C wie bei Keramiken ausgelegt. Daher wird es möglich, einen Farbumschlag selbst bei erhöhten Temperaturen bei der Anwendung zu vermeiden und außerdem die weiße Farbe lange Zeit zu erhalten.
Für das isolierende Substrat 10 wird bevorzugter ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Mit anderen Worten, der LED-Chip 3 strahlt während des Betriebs zu einem gewissen Grad Wärme ab. Falls die Wärmestrahlung nicht abgeleitet wird, steigt die Temperatur des LED-Chip 3 wobei die Halbleiterschicht gegen Beeinträchtigungen anfällig wird. Die Substratseite des LED-Chips erreichende Wärme wird in einem bekannten Aufbau leichter über das Metall der Anschlußelektrode abgeleitet, da auf die Anschlußelektroden gebondet wird. Es wird jedoch bevorzugt ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit angewendet, damit die Substratseite des LED-Chip erreichende Wärme effektiv abgeleitet wird, da der LED-Chip 3 direkt auf das isolierende Substrat 10 gebondet ist. Hinsichtlich eines derartigen Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind die vorstehend angemerkten Keramiken sehr wünschenswert.
Unter den Materialien, die den vorstehenden Anforderungen entsprechen, sind keramische Materialien aus den genannten Gründen wünschenswert, und unter diesen ist wiederum Aluminiumnitrid aufgrund seiner höheren Hitzebeständigkeit besser als Aluminiumoxid.
Beispielsweise ist ein LED-Chip mit einer blauen Leuchtfarbe (im Bereich von ultraviolett bis gelb) als LED-Chip 3 ausgebildet. 2 zeigt eine beschreibende Querschnittansicht eines Beispiels davon. Im einzelnen werden die folgenden Schichten nacheinander auf die Oberfläche eines Substrats 31 gestapelt, welches beispielsweise aus Saphir (Al₂O₃-Einkristall) gebildet ist: Eine Niedertemperaturpufferschicht 32 aus GaN mit einer Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,2 μm; eine als Mantelschicht dienende n-dotierte Schicht 33 mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 5 μm; eine aktive Schicht 34, die aus einem auf InGaN basierten Verbindungshalbleiter besteht (was bedeutet, daß der Gehalt von In und Ga einstellbar ist; dies ist auch nachstehend gültig) mit einer Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,3 μm; und einer p-dotierten Schicht 35 (Mantelschicht), die aus einer p-dotierten Halbleiterschicht 35a aus einer AlGaN-basierten Verbindung (was bedeutet, daß der Gehalt von Al und Ga einstellbar ist; dies ist auch nachstehend gültig) und einer GaN-Schicht 35b besteht und ungefähr 0,2 bis 1 μm dick ist. Weiterhin ist eine p-seitige Elektrode 38 auf der Oberfläche mit einer eingefügten Diffusionsstromschicht 37 ausgebildet. Dabei ist eine n-seitige Elektrode 39 auf einem freiliegenden Abschnitt der n-dotierten Schicht 33 ausgebildet, von der die gestapelten Halbleiterschichten 33 bis 35 teilweise entfernt wurden.
Wie in 1 dargestellt, ist dieser LED-Chip 3 in der Mitte auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 10 zwischen der ersten Anschlußelektrode 1 und der zweiten Anschlußelektrode 2 mit einem Bondmittel 9 (Bondmaterial) gebondet. Das Bondmittel ist ein durchsichtiges Material, welches nicht das Licht absorbiert, das die hintere Oberfläche des Substrats des LED-Chips 3 erreicht. Genauer wird ein durchsichtiges Epoxidharz angewendet. Überdies ermöglicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Materialmischung aus Bornitrid (BN) und einem durchsichtigen Epoxidharz zusätzlich eine direkte Lichtreflexion, wodurch der Reflexionsgrad nochmals verbessert wird. Weiterhin verbessert die BN-Mischung bemerkenswert die Wärmeleitfähigkeit, wie nachstehend beschrieben ist, so daß Wärme von dem LED-Chip effizienter auf die Seite des Substrats 10 abgeleitet wird, wodurch diese Anordnung besonders vorteilhaft ist.
Danach werden Verdrahtungvorgänge unter Verwendung von Metalldrähten 4 wie beispielsweise Golddrähten durchgeführt, so daß die n-seitige Elektrode 39 und die p-seitige Elektrode 38 des LED-Chips 3 jeweils mit der ersten Anschlußelektrode 1 und der zweiten Anschlußelektrode 2 elektrisch verbunden ist. Sodann werden der LED-Chip 3 und andere Elemente in seiner Umgebung mit einem durchsichtigen oder milchigem Epoxidharz o. ä. überzogen, welches von dem LED-Chip abgestrahltes Licht durchläßt. Auf diese Weise erhält man die erfindungsgemäße mit einem Gehäuse 6 bedeckte Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung nach Chip-Bauart.
Die hintere Oberflächenseite des Substrats des LED-Chips erreichendes Licht wird durch das isolierende Substrat zur Oberflächenseite hin reflektiert, da der LED-Chip direkt auf dem weißlich gefärbten isolierenden Substrat angebracht ist. Folglich wird das Licht, das die Substratseite des LED-Chip erreicht und in der bekannten Anordnung durch die Anschlußelektrode absorbiert würde, zur Oberflächenseite hin reflektiert und effektiv ausgenutzt. Daher ist der äußere Wirkungsgrad der Lichtabstrahlung verbessert, die ein Maß für die nach außen abzustrahlende Lichtmenge ist, und die Leuchtkraft kann selbst dann verbessert werden, wenn der gleiche LED-Chip verwendet wird. Überdies verbessert die Anwendung eines weißlich gefärbten Substrats als isolierendes Substrat die Reflexionsrate, wodurch eine Steigerung der Verwendbarkeit des reflektierten Lichts ermöglicht wird und außerdem weiterhin die Leuchtkraft verbessert wird. Zusätzlich verhindert die Anwendung eines hitzbeständigen Substrats als isolierendes Substrat eine Reduzierung der Leuchtkraft aufgrund eines zeitlich bedingten Farbumschlags, wodurch eine Verbesserung der Zuverlässigkeit ermöglicht wird. Die Anwendung eines Materials mit höherer Wärmeleitfähigkeit als isolierendem Substrat ermöglicht außerdem eine effektive Ableitung der durch den LED-Chip erzeugten Wärme und folglich eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des LED-Chips.
In dem vorstehenden Beispiel wird die Umgebung des LED-Chips 3 lediglich durch das Gehäuse 6 aus durchsichtigem Harz bedeckt. Eine andere Bauart mit einem reflektierenden Gehäuse über der weiteren Umgebung, also dem umliegenden Abschnitt, kann jedoch mit den gleichen Ergebnissen angewendet werden.
3 zeigt ein Beispiel einer Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung nach Leuchtenbauart als Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem, dem aus 6(a) ähnlichen Aufbau ist an dem Ende des Leiters 12 eine Halterung 15 ausgebildet, in der Mitte der Halterung ist eine Aussparung 15b ausgebildet und ein LED-Chip 3 ist auf die Innenseite der Aussparung 15b durch ein Bondmaterial 19 gebondet. Überdies sind die beiden Elektroden des LED-Chips 3 mit jeweils einem der beiden Leiter 11 und 12 durch Metalldrähte 4 elektrisch verbunden und die Umgebung ist mit einem Gehäuse 18 aus Harz bedeckt. Eine halbkugelartige Linse 18a ist auf der Vorderseite der Vorrichtung ausgebildet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das zum Bonden des LED-Chips 3 an die Innenseite der Aussparung 15b verwendete Bondmaterial 19 als weißlich gefärbtes Bondmaterial ausgebildet ist.
Als weißlich gefärbtes Bondmaterial (Paste) wird ein Material verwendet, das durch Mischung von BN mit einem durchsichtigen Epoxidharz hergestellt wird. BN weist mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 7·10^–2 W/m·K (60 cal/(m·h·deg)) die beste Eigenschaft unter weißen Farbstoffen auf. Wenn beispielsweise BN mit einem durchsichtigen Epixidharz mit 60 Gewichtsprozent gemischt wird, beträgt die Wärmeleitfähigkeit λ ungefähr 2,3·10^–2 W/m·K (20 cal/(m·h·deg)). Da die Wärmeleitfähigkeit λ des durchsichtigen Harzes 3,14·10^–4 W/m·K (0,27 cal/(m·h·deg)) beträgt, erhöht das Gehäuse die Wärmeleitfähigkeit λ um das Siebzigfache oder mehr, was eine Verbesserung der Wärmediffusion des LED-Chips ermöglicht und folglich einen Farbumschlag verhindert.
Je höher das Mischverhältnis von BN zu durchsichtigem Epoxidharz ist, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit λ. Das Mischverhältnis von BN wird vorzugsweise auf ungefähr nicht mehr als 50 Gewichtsprozent festgelegt. Falls jedoch die Strahlungsenergie des LED-Chips hoch ist, kann das Mischverhältnis von BN verringert werden. Mit anderen Worten, das Mischverhältnis von BN zu durchsichtigem Epoxidharz wird abhängig von der erforderlichen Menge der von der Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung abzustrahlenden Strahlungsleistung geeignet ausgewählt.
3(b) zeigt eine beschreibende Ansicht eines Teilquerschnitts eines Zustands, in dem der LED-Chip 3 an die Aussparung 15b auf die Spitze des Leiters 12 gebondet ist. Da weiße Paste mit einer hohen Reflexionsrate als Bondmaterial 19 verwendet ist, wird auf die hintere Oberfläche des LED-Chip 3 gestrahltes Licht E durch die weiße Paste fast vollständig reflektiert und bildet reflektiertes Licht R. Das reflektierte Licht R dringt geradeaus von der oberen Oberfläche des LED-Chips 3 vor, wird von der Linse 18a gebrochen und nach außen gestrahlt. Mit anderen Worte, es wird möglich, das Verlustverhältnis des zur hinteren Oberfläche des LED-Chips 3 hin gestrahlten Lichts E zu reduzieren.
Daher ist das von dem LED-Chip 3 nach außen gestrahlte Licht gleich dem Licht, das direkt von dem LED-Chip 3 geradeaus vordringt plus dem reflektierten Licht R, das sich aus einem Großteil des Lichts E zusammensetzt, das zur hinteren Oberfläche hin gestrahlt wurde. Daher ist es möglich, die von dem LED-Chip 3 nach außen gestrahlte Strahlungsenergie zu steigern.
Da das weißliche Bondmaterial mit einer hohen Reflektionsrate als Bondmittel für den LED-Chip verwendet wird, nimmt erfindungsgemäß, wie vorstehend beschrieben, die Leuchtkraft der Licht abstrahlenden Vorrichtung nach Leuchtenbauart einen ungefähr doppelt so hohen Wert an, verglichen mit dem des bekannten Aufbaus, der Siberpaste als Bondmaterial für den LED-Chip verwendet. Darüber hinaus ist selbst im Vergleich mit dem Aufbau, der ein durchsichtiges Epoxidharz als Bondmaterial für den LED-Chip verwendet, die Leuchtkraft immer noch um ungefähr 10% verbessert.
Die Anwendung der weißen Paste als Bondmaterial ermöglicht eine direkte Reflexion des Lichts, das zur hinteren Oberfläche des LED-Chips hin vordringt durch das Bondmaterial; deswegen erlaubt sie außerdem selbst in dem Fall der vorstehend beschriebenen Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung nach Chipbauart, bei dem der Bondvorgang auf einer der Anschlußelektroden gebildet wird wie in 4 dargestellt eine Steigerung der Leuchtkraft. Mit anderen Worten unterscheidet sich 4 von 1 lediglich darin, daß der LED-Chip 3 direkt auf die Anschlußelektrode 2 mit dem Bondmaterial 19 aus weißlicher Paste gebondet ist, während die anderen Teile die gleichen wie in dem Beispiel aus 1 sind; daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
In jedem der vorstehend beschriebenen Beispiele bezieht sich die Licht abstrahlende Vorrichtung auf eine bläulich gefärbte Licht abstrahlende Halbleitervorrichtung, in der ein auf GaN basierter Verbindungshalbleiter als Licht abstrahlende Vorrichtung verwendet ist. Da durch die gelblichen Farben der Anschlußelektroden tendentiell Lichtabsorption stattfindet, und da das Substrat des LED-Chip durchsichtig ist und kein Licht absorbiert, werden in dem einen GaN basierten Verbindungshalbleiter verwendenden bläulich gefärbten LED-Chip stärkere Wirkungen erzielt. Da das Substrat des LED-Chip ein isolierendes Substrat ist, sind die p- und n-seitigen Elektroden beide auf der Oberflächenseite angebracht; daher ist diese Anordnung geeigneter. Es kann jedoch auch in Fällen rötlich gefärbter und grünlich gefärbter Licht abstrahlender Vorrichtungen, in denen GaAs-, AlGaAs-, AlGaInP- und InP-Verbindungen o. ä. angewendet wurden, ein Material als Substrat des LED-Chips verwendet werden, welches abgestrahltes Licht kaum absorbiert.
Da zur hinteren Oberflächenseite des LED-Chips hin vordringendes Licht effektiv verwendet wird, ist es möglich, die Leuchtkraft hinsichtlich der Lichtabstrahlung bei einem gleichen LED-Chip zu steigern. Daher kann insbesondere in bläulich gefärbten Licht abstrahlenden Vorrichtungen nach Chipbauart, bei denen die Lichtabstrahlungseffektivität niedrig ist und durch gelblich gefärbte Materialien tendentiell eine Lichtabsorption stattfindet, die Leuchtkraft wirksam verbessert werden.
Durch die Anwendung von weißlichem Bondmaterial mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, das durch Mischung von BN mit einem durchsichtigen Epoxidharz hergestellt wurde, als Bondmaterial für den LED-Chip, ist es überdies möglich, Wärme von dem LED-Chip wirksam abzuleiten, ohne die Wärmediffusion von dem LED-Chip zu stören und folglich einen Farbumschlag des Bondmaterials durch Hitze zu vermeiden; dadurch wird es möglich, eine Reduktion des Wirkungsgrades von nach außen abgestrahltem Licht zu vermeiden.
Wie vorstehend beschrieben kann bei einer Licht abstrahlenden Vorrichtung nach Chipbauart (1), bei der erste und zweite Anschlußelektroden 1 und 2 an beiden Enden eines isolierenden Substrats 10 mit einem auf dessen Oberfläche angebrachten LED-Chip 3 ausgebildet sind, der LED-Chip 3 direkt auf dem isolierenden Substrat 10 ausgebildet sein, und zumindest ein Abschnitt des isolierenden Substrats 10, auf dem der LED-Chip 3 angebracht ist, kann durch ein weißliches Material ausgebildet sein. Jedenfalls ist bei einer Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung nach Leuchtenbauart (3(a)), bei der der LED-Chip 3 auf der Spitze eines Leiters 12 angebracht und mit einem kalottenförmigen Gehäuse 18 bedeckt ist, oder bei einer Licht abstrahlenden Halbleitervorrichtung nach Chipbauart (4) ein zum Bonden des LED-Chips 3 verwendetes Bondmaterial 19 aus einem weißlichen Material gebildet. Dadurch wird es möglich, Licht effektiv zu reflektieren, das zur hinteren Oberflächenseite des LED-Chips 3 hin vordringt, und folglich steigt die notwendige Leuchtkraft, selbst wenn die Lichtabstrahlungseffektivität innerhalb des LED-Chips 3 die gleiche bleibt.

Claims

Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung mit: einem ersten und einem zweiten leitenden, Element; einem lichtabstrahlenden Chip (3); einem Bondmaterial (19), das den lichtabstrahlenden Chip auf dem ersten oder dem zweiten leitenden Element im Rohchipzustand verbindet; Verbindungseinrichtungen zum elektrischen Verbinden von zwei Elektroden des lichtabstrahlenden Chips (3) mit dem ersten bzw. dem zweiten leitenden Element; und einem Gehäuse (18, 6) aus Harz zur Bedeckung des lichtabstrahlenden Chips und einer Umgebung des lichtabstrahlenden Chips (3), wobei das Bondmaterial aus einem weißlichem Bondmaterial ausgebildet ist, das durch Mischung von Bornitrid mit einem durchsichtigen Epoxidharz hergestellt ist, und wobei das weißliche Bondmaterial eine direkte Reflexion des Lichts, das zur hinteren Oberfläche des Chips hin vordringt, durch das weißliche Bondmaterial ermöglicht.
Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eines der leitenden Elemente einem oberen Abschnitt (15) eines Leiters (12) entspricht, der lichtabstrahlende Chip (3) auf die Innenseite eines vertieften Abschnitts des oberen Abschnitts des Leiters im Rohchipzustand verbunden ist, und der lichtabstrahlende Chip (3) mit dem Gehäuse in einer Kuppelform bedeckt ist.
Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite leitende Element durch auf beiden Enden einer Oberfläche eines isolierenden Substrats bereitgestellten Anschlusselektroden ausgebildet sind.
Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der lichtabstrahlende Chip (3) ein durch Stapeln von Schichten aus einem Galliumnitrid-basierten Verbindungshalbleiter auf einem Saphirsubstrat ausgebildeter Chip ist.
Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das isolierende Substrat ein wärmebeständiges Substrat ist.
Lichtabstrahlende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das isolierende Substrat aus Aluminiumnitrid ist.