JP2002050800A - 発光装置及びその形成方法 - Google Patents

発光装置及びその形成方法

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JP2002050800A JP2000386209A JP2000386209A JP2002050800A JP 2002050800 A JP2002050800 A JP 2002050800A JP 2000386209 A JP2000386209 A JP 2000386209A JP 2000386209 A JP2000386209 A JP 2000386209A JP 2002050800 A JP2002050800 A JP 2002050800A
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Shigetsugu Koda
滋嗣 幸田
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体発光素子とそれよりも長波長の光が発
光可能な蛍光物質とを利用した長波長変換型発光装置で
あって、必要最小限の蛍光物質含有量により長波長側の
発光輝度を飛躍的に向上させることができる発光装置及
びその形成方法を提供する。 【解決手段】 支持体に配置された発光素子と、該発光
素子からの発光の一部を吸収してそれよりも長波長の光
が発光可能な蛍光物質と、前記蛍光物質を少なくとも一
部に含有して前記発光素子を包囲する樹脂とを有する発
光装置であって、前記樹脂の体積を前記発光素子の体積
の５０倍〜１０6倍とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は液晶のバックライ
ト、照明光源、各種インジケーターや交通信号灯などに
利用可能な発光装置に係わり、支持体にボンディングさ
れた半導体発光素子とそれよりも長波長の可視光が発光
可能な蛍光物質とを利用した長波長変換型発光装置であ
る。特に、本発明は発光輝度を飛躍的に向上させること
ができる長波長変換型発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】今日、青色光が高輝度に発光可能な半導体
発光素子である窒化物半導体（Ｉｎ xＧａyＡｌ
1-x-yＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を利用したＬＥＤ
チップが開発された。窒化物半導体を利用した発光素子
は、他のＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等の材料を利用した
赤から黄緑色を発光する発光素子と比較して出力が高
い、温度による色シフトが少ないなどの特徴を持ってい
るものの、現在までのところ、緑色以上の波長を有する
長波長域で高出力を得られにくいという傾向がある。他
方、このＬＥＤチップ上にＬＥＤチップから放出された
青色光の少なくとも一部を吸収して、黄色が発光可能な
蛍光物質であるＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体などを配置させるこ
とによって白色系が発光可能な発光ダイオードが開発さ
れた。（国際公開番号ＷＯ９８／５０７８号）
【０００３】この発光ダイオードは、例えば図４の如
き、１チップ２端子構造の比較的簡単な構成にも係わら
ず、マウントリードとインナーリードに電気的に接続さ
せたＬＥＤチップからの光と、ＬＥＤチップを被覆する
樹脂中に含有されたＹＡＧ：Ｃｅなど蛍光物質からの光
との混色光を凸レンズ１１を介して発光する。
【０００４】また、この発光ダイオードは蛍光物質の使
用量を調節させることで、発光装置から放出される混色
光のうち、青味がかった白色から黄色味がかった白色な
どの光を任意に放出させることができる。更に、顔料を
添加して選択的に光を吸収させることで、所望の中間色
を発光させることもできる。
【０００５】このような発光ダイオードは種々の分野に
利用され始めているが、高輝度、低消費電力や長寿命で
ある発光ダイオードの特性をいかし鉄道用など交通信号
灯の分野において積極的に利用され始めている。特に、
鉄道用の交通信号灯は電球をベースに発光色が規定され
ており、電球の色が白色とされている。そのため、黄色
味がかった白色を高輝度に発光できる発光ダイオードが
特に求められている。
【０００６】しかしながら、単に発光ダイオードに含有
される蛍光物質の含有量を増やすだけでは、発光色を調
節できるものの発光輝度が低下する傾向にある。他方、
蛍光物質の含有量を減らすと輝度を向上させることがで
きるものの発光色を調整することができないというトレ
ードオフの関係にある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本願発明
の目的は、少量の蛍光物質量で発光色を調整することが
可能な発光ダイオードを提供することにある。特に、可
視光の長波長側及び従来高輝度に発光させることが不可
能であった中間色においても高輝度に発光可能な発光ダ
イオードを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の発光装置は、支
持体に配置された発光素子と、該発光素子からの発光の
一部を吸収してそれよりも長波長の光が発光可能な蛍光
物質と、前記蛍光物質を少なくとも含有して前記発光素
子を包囲する樹脂とを有する発光装置であって、前記樹
脂の体積は前記発光素子の体積の５０倍〜１０6倍であ
ることを特徴とする。
【０００９】このように構成することにより、樹脂中に
おいて蛍光物質が良好に分散された状態が得られ、必要
最小限の蛍光物質含有量でもって所望の光を高輝度に発
光可能な発光装置が得られる。好ましい樹脂の体積は１
ｍｍ3〜１ｃｍ3である。
【００１０】また、発光素子が窒化物系化合物半導体を
有すると共に、蛍光物質はセリウムで付活されたイット
リウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体であることを
特徴とする。このような蛍光物質を用いることで長時間
に発光させることが可能となり発光装置の信頼性が向上
される。
【００１１】更に、前記窒化物半導体はＩｎを含有する
と共に前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍
光体はＧｄを含有することを特徴とする。このように構
成することにより、より長波長側で高輝度な混色光が得
られる。
【００１２】また本発明において、窒化物系化合物半導
体を有する発光素子と共に用いられる別の蛍光物質とし
て、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−
Ａｌ 2Ｏ3−ＳｉＯ2が好適に挙げられる。
【００１３】また、発光素子を包囲する樹脂中に、蛍光
物質と共に前記蛍光物質からの主発光波長の透過率より
長波長側において透過率の高い着色材を含有させてもよ
い。このように構成することにより色度図中のあらゆる
中間色をも任意に放出させることができる。着色材は、
前記蛍光物質より比重が小さく且つ大きい粒径であるこ
とが好ましい。このように蛍光物質と着色材との比重及
び粒径の関係を調整することにより、樹脂中での蛍光物
質及び着色材自体の分散性が向上され所望の発光が得ら
れる。着色材の好ましい平均粒径は１０μｍ〜６０μｍ
の範囲である。具体的には、着色材の個数分布及び体積
分布において、１０μｍ〜６０μｍの範囲のトータルが
全体の９９％以上を占めていると好ましい。また具体的
着色材として、雲母と前記雲母表面に設けられた雲母よ
り屈折率の高い金属酸化物の被膜層とからなる着色材が
好適に用いられる。特に、酸化鉄からなる金属酸化物を
被覆率４０％〜６０％で雲母の表面に被膜させると着色
力及び光沢力が向上され、紫色等を従来より遙か高輝度
に発光することが可能な発光装置が得られる。
【００１４】本発明に用いられる発光素子の主波長は、
４００ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲であることが好ましい。
このような発光素子を用いると、青味がかった白色光か
ら黄色味がかった白色光を任意に放出させることができ
る。
【００１５】また、本発明の発光装置の形成方法は、支
持体上に配置された発光素子と、該発光素子からの発光
の一部を吸収してそれよりも長波長の光が発光可能な蛍
光物質を有する発光装置の形成方法であって、粘度が３
５００ｍＰａ・ｓ〜２００００ｍＰａ・ｓの範囲である
樹脂中に少なくとも蛍光物質を均一に分散させる第一の
工程と、前記第一の工程で得られた樹脂を前記発光素子
の周囲に前記発光素子の体積の５０倍〜１０6倍の量で
充填させ硬化させる第二の工程とを有することを特徴と
する。
【００１６】このような形成方法により、樹脂中に蛍光
物質を良好に分散させることができ、且つその良好な分
散状態を維持させたままで樹脂を硬化させることができ
る。これによって各蛍光物質は本来の作用を十分に発揮
することができ、少量の含有量でもって青みがかった白
色光から黄色味がかった白色光まであらゆる所望の光を
高輝度に発光させることが可能な発光装置が得られる。
【００１７】また、前記第一の工程において、前記樹脂
中に前記蛍光物質と共に前記蛍光物質からの主発光波長
の透過率より長波長側で透過率の高い着色材を含有させ
均一に分散させ、これによって得られた樹脂を用いて発
光装置を形成しても良い。また、着色材は蛍光物質より
比重が小さく且つ大きい粒径を有すると好ましい。
【００１８】このように、蛍光物質と着色材との関係を
考慮して共に粘度の高い樹脂中に含有させることによ
り、色度図中のあらゆる中間色等、混色性の優れた発光
装置を歩留まり良く形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明者は種々の実験の結果、蛍
光物質を利用した発光装置において、蛍光物質を少なく
とも一部に含有して発光素子と前記発光素子を包囲する
樹脂との体積の関係、及び含有させる蛍光物質と着色材
との比重及び粒径の関係を調整することにより容易に色
調の選択ができ、且つ発光輝度を大きく改善できること
を見いだし本発明を成すに至った。
【００２０】発光素子からの光と、その光の一部が蛍光
物質によって変換されたより長波長の光との混色光を利
用する場合、発光スペクトルのうち、ある成分の波長を
カットすることであらゆる所望の発光色を得ることがで
きる。
【００２１】ある波長の成分をカットし混色光を得る方
法として、顔料を使用することができる。しかしながら
単に顔料を用いると、顔料により光が隠ぺいされ輝度が
大きく低下する傾向にある。
【００２２】蛍光物質を透光性の樹脂やガラスなどの透
光性部材に含有させる場合、透光性であっても蛍光物質
の含有量が多くなると、密接して沈殿している蛍光物質
間で繰り返し反射・散乱等が起こり透光性樹脂等により
吸収される割合が多くなったり光が蛍光物質間に閉じ込
められたりする。そのため、得られる混色光の発光出力
は著しく低下する。
【００２３】そこで本発明は、大量の顔料や蛍光物質を
必要とせずに必要とされる最小限の含有量のみで高輝度
に混色光が発光可能な発光装置を提供する。これにより
色度図上で原点と白色領域を結んだ直線以下の領域の中
間色、特にＣＩＥ色度の下側ライン付近の色、例えば紫
色等の混色光を高出力及び高輝度に発光可能な発光装置
が得られる。
【００２４】図３は、本発明のＳＭＤ型発光ダイオード
の模式的断面図である。サファイア基板上に窒化ガリウ
ムであるバッファ層を介して窒化物半導体（ＡｌxＧａy
Ｉｎ zＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、Ｘ＋
Ｙ＋Ｚ＝１）からなるｐｎ接合が形成されてなる発光素
子２を一対のリード電極３，４を有するガラスエポキシ
基板１上に配置させたものである。発光素子２は、少な
くとも窒化物半導体層からなる発光層を有している。こ
うした発光素子２の一方の面側に設けられた各電極は、
フリップチップボンディングで一対のリード電極３，４
とそれぞれ半田やＡｇペーストなどの導電性ペースト５
で電気的に接続されている。このように設置された発光
素子２は、発光素子上に少なくとも発光素子から放出さ
れた光の一部を吸収してより長波長に変換可能な蛍光物
質６を均一に有したエポキシ樹脂７で覆われている。な
お、本発明の発光ダイオードは、このようなＳＭＤ型発
光ダイオードに限らず、表示ディスプレイ、８セグメン
ト型や砲弾型など種々の形態の発光ダイオードに利用で
きることは言うまでもない。以下、本発明に用いられる
発光ダイオードの各構成について詳述する。
【００２５】（樹脂７）本発明に好適に用いられる樹脂
７とは、ＬＥＤチップからの発光の少なくとも一部を反
射するものである。具体的材料として、エポキシ樹脂、
アクリル樹脂、シリコーン等の耐候性に優れた透明樹脂
やガラス等が好適に用いられる。
【００２６】蛍光物質の比重は、液状樹脂の数倍に達
し、また熱硬化性樹脂の場合、加熱後粘度が大きく低下
する。このため、単に樹脂中に蛍光物質を含有させ混合
させたもので発光素子を包囲し硬化させると、樹脂中の
蛍光物質はほとんど発光素子周辺に厚く嵩張って沈降し
てしまうのが現状である。これらの蛍光物質のうち、発
光素子からの光を効率よく吸収できるのは発光素子周辺
の最近接に位置する蛍光物質、若しくは蛍光物質層表面
に位置する蛍光物質と考えられる。厚く積まれた蛍光物
質のほとんどは本来の作用を発揮してない。これら密に
厚く沈降してしまった蛍光物質層は、発光素子からの光
や蛍光物質からの励起光を隠蔽してしまい、発光出力及
び輝度の低下が生じると考えられる。
【００２７】そこで本発明では、発光素子を包囲する蛍
光物質含有樹脂の体積を前記発光素子の体積の５０倍〜
１０6倍とする。このように樹脂量を調整すると、含有
された蛍光物質が嵩張って沈降するのを抑制することが
できる。樹脂体積が発光素子体積の５０倍より小さい場
合、蛍光物質は嵩高く沈降してしまい輝度は大きく低下
してしまう。また１０6倍より大きくなると発光素子か
らの光及び蛍光物質による励起光の外部への光取り出し
効率が低下してしまう。よって、本発明による樹脂量の
範囲で発光装置を形成することにより、蛍光物質間に光
が閉じ込められることなく、各蛍光物質の変換効率及び
光取り出し効率を向上させることができ、高輝度に発光
することが可能な発光装置が得られる。具体的には、発
光素子が３５０μｍ×３５０μｍ×８０μｍの場合、好
ましい樹脂量は１ｍｍ3〜１ｃｍ3である。
【００２８】樹脂層を厚く、及び／又は幅広く設けるこ
とにより発光素子から発光される光の外部への取り出し
経路が延長される。これにより光は樹脂内で反射屈折を
繰り返すこととなり長波長成分がカットされることにな
る。本発明では、樹脂内で反射屈折された発光素子から
の光、つまりカットされた光を良好に分散された蛍光物
質に効率よく吸収させるものである。つまり本発明は、
外部に取り出される短波長成分を取り出し経路を延長さ
せることによりカットし、そのカットされた短波長成分
を励起される短波長成分として効率よく利用させること
が可能となるように樹脂量を設定したものである。これ
により少量の蛍光物質含有量で色調の変化が可能とな
り、蛍光物質で変換された長波長成分のほとんどを良好
に外部へ取り出すことができる。
【００２９】このように、本発明における発光装置は、
発光スペクトルのうち、発光素子からの短波長成分の光
取り出し効率を低下させるとともに蛍光物質への吸収効
率を向上させ長波長成分を多くすることができる。これ
により少ない蛍光物質の使用量で長波長の混色光が得ら
れるため、蛍光物質からの長波長成分の取り出し効率が
向上され、混色光を高輝度に発光することができる。ま
た本発明は、顔料を必要とせず、少量の蛍光物質のみで
蛍光物質と同系色の色をも高輝度に発光させることを可
能とする。
【００３０】また、本発明に用いられる樹脂は、硬化前
の粘度が３５００ｍＰａ・ｓ〜２００００ｍＰａ・ｓの
高粘度樹脂であることが好ましい。これらの樹脂に蛍光
物質を添加し均一に分散させると、蛍光物質の沈降を更
に抑制でき長時間にわたって均一で良好な分散状態を保
つことができる。つまり、高粘度樹脂中に蛍光物質を分
散させた樹脂にて発光素子を包囲し硬化させると、蛍光
物質はほとんど沈殿せず好ましい分散状態を維持したま
ま樹脂は硬化される。これにより含有された蛍光物質全
てにおいて本来の作用を十分に発揮させることができ、
少量の蛍光物質含有量で色調の選択が可能となる。また
蛍光物質含有樹脂をディスペンサーにて充填させる際の
精密性が向上され歩留まりが向上する。好ましい樹脂材
料として、シリコーン樹脂、常温硬化型エポキシ樹脂、
常温乾燥型アクリル樹脂等があげられる。
【００３１】このように粘度の高い樹脂に蛍光物質を分
散させ、それらを体積を大きく、好ましくは厚みを厚く
発光素子周辺に充填させることで、外気温の変化による
影響をほとんど受けず高輝度に発光することが可能な発
光装置を形成することができる。
【００３２】ここで本発明において、樹脂の粘度とは、
温度２３℃及び相対湿度５０％の室内において、無添加
の状態の液状樹脂を対象に回転粘度計を用いて試験し得
られた粘度計指示値により算出されたものである（ＪＩ
Ｓ Ｋ７１１７）。
【００３３】（蛍光物質６）本願発明の発光装置に用い
られるフォトルミネセンス蛍光体６は、半導体発光層か
ら発光された可視光や紫外線で励起されて発光するフォ
トルミネセンス蛍光体である。具体的なフォトルミネセ
ンス蛍光体例として、青色系が発光可能な発光素子との
補色により白色系が発光可能な蛍光物質としてセリウム
で付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット
系蛍光体が挙げられるが、Ｍｇ5Ｌｉ6Ｓｂ6Ｏ13：Ｍｎ
やＭｇ2ＴｉＯ4：Ｍｎなどの蛍光物質やこれら蛍光物質
を複数混合した蛍光物質をも利用することができる。本
発明においては、発光素子からの光を受けて励起され、
それよりも長波長の可視光を発光可能な種々の蛍光物質
を好適に利用することができる。なお、より好適な蛍光
物質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について以下に示す。
【００３４】本明細書において、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は特
に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるい
は全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群
から選ばれる少なくとも１つの元素に置換し、あるい
は、アルミニウムの一部あるいは全体を、ＧａとＩｎの
何れか又は両方で置換する蛍光作用を発する蛍光体を含
む広い意味に使用する。
【００３５】更に詳しくは、一般式（ＹzＧｄ1-z）3Ａ
ｌ5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォト
ルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ1-aＳｍa）3Ｒ
ｅ’5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒ
ｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも
一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少な
くとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス
蛍光体である。
【００３６】本発明では、発光素子を包囲する蛍光物質
含有の樹脂の充填量を調整することにより少ない蛍光物
質の含有量で白色を含め電球色等の色調を高輝度に提供
することができる。
【００３７】本発明に用いられるフォトルミネセンス蛍
光体の分布は、フォトルミネセンス蛍光体を含有する部
材、形成温度、フォトルミネセンス蛍光体の形状、粒度
分布などを調整させることによって種々形成させること
ができる。したがって、使用条件などにより蛍光物質の
分布濃度を、種々選択することができる。なお、均一発
光させるためには、蛍光物質が均一に分布していること
が好ましいが使用態様によって種々選択することができ
る。
【００３８】本発明の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、特にＬＥＤ
チップと接する、あるいは近接して配置され照射強度と
して（Ｅｅ）＝３Ｗ・ｃｍ-2以上１０Ｗ・ｃｍ-2以下に
おいても高効率に十分な耐光性を有し、優れた発光特性
の発光ダイオードとすることができる。
【００３９】この蛍光物質は、ガーネット構造のため、
熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５
０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピーク
も、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブ
ロードな発光スペクトルを持つ。
【００４０】また、本願発明に用いられるフォトルミネ
センス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有
することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光
効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加によ
り、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も
長波長側にシフトする。しかも、ガーネット構造を持っ
たイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の
組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波
長が短波長側にシフトし、また、組成のＹの一部をＧｄ
で置換することで、発光波長が長波長側にシフトする。
【００４１】Ｙの一部をＧｄで置換するには、Ｙ：Ｇｄ
＝９：１から１：９の範囲の比率に設定することが好ま
しく、４：１から２：３の範囲に設定することがより好
ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では、緑色成分が大き
く赤色成分が少なくなる。また、Ｇｄへの置換が６割以
上では、赤み成分が増えるものの輝度が急激に低下する
傾向にある。特に、ＬＥＤチップの発光波長によるがイ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成
のうちＹ：Ｇｄ＝４：１から２：３の範囲とすることに
より１種類のイットリウム・アルミニウム・ガーネット
系蛍光体を用いて黒体放射軌跡におおよそ沿って白色光
が発光可能な発光ダイオードとすることができる。な
お、Ｙ：Ｇｄ＝２：３より多く、１：４では輝度が低く
なるものの電球色が発光可能な発光ダイオードとするこ
とができる。また、Ｃｅの含有（置換）は、０．００３
から０．５が好ましい。
【００４２】本願発明のフォトルミネセンス蛍光体は、
このように組成を変化することで発光色を連続的に調節
することが可能である。また、２５４ｎｍや３６５ｎｍ
などのＨｇ輝線ではほとんど励起されず４５０ｎｍ付近
などの青色系ＬＥＤチップからの光による励起効率が高
い。したがって、長波長側の強度がＧｄの組成比で連続
的に変えられるなど窒化物半導体の青色系発光を白色系
の発光に変換するための理想条件を備えており極めて優
れている。
【００４３】このようなフォトルミネセンス蛍光体は、
Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ａｌ及びＧａの原料として酸化物、又
は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを
化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇ
ｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解
液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物
と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合
原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウ
ム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３
５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して焼
成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗
浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができ
る。
【００４４】本願発明の発光装置において、このような
フォトルミネセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで
付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍
光体や他の蛍光体を混合させてもよい。
【００４５】同様に、本発明に用いられる他の具体的蛍
光物質として、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含
有ＣａＯ-Ａｌ2Ｏ3-ＳｉＯ2蛍光体が挙げられる。この
Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ2
Ｏ3-ＳｉＯ2蛍光体は、酸化アルミニウム、酸化イット
リウム、窒化珪素及び酸化カルシウムなどの原料に希土
類原料を所定比に混合した粉末を窒素雰囲気下において
１３００℃から１９００℃（より好ましくは１５００℃
から１７５０℃）において溶融し成形させる。成形品を
ボールミルして洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して蛍
光体を形成させることができる。これにより４５０ｎｍ
にピークをもった励起スペクトルと約６５０ｎｍにピー
クがある青色光により赤色発光が発光可能なＥｕ及び／
又はＣｒで付活されたＣａ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナ
イトライド蛍光硝子とすることができる。
【００４６】なお、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活されたＣ
ａ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子の窒
素含有量を増減することによって発光スペクトルのピー
クを５７５ｎｍから６９０ｎｍに連続的にシフトするこ
とができる。同様に、励起スペクトルも連続的にシフト
させることができる。そのため、Ｍｇ、Ｚｎなどの不純
物がドープされたＧａＮやＩｎＧａＮを発光層に含む窒
化ガリウム系化合物半導体からの光と、約５８０ｎｍの
蛍光体の光の合成光により白色系を発光させることがで
きる。特に、約４９０ｎｍの光が高輝度に発光可能なＩ
ｎＧａＮを発光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体か
らなる発光素子との組合せに理想的に発光を得ることも
できる。
【００４７】また、上述のＣｅで付活されたＹＡＧ系蛍
光体とＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有Ｃａ-
Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子とを組
み合わせることにより青色系が発光可能な発光素子を利
用してＲＧＢ（赤色、緑色、青色）成分を高輝度に含む
極めて演色性の高い発光ダイオードを形成させることも
できる。このため、所望の顔料を添加するだけで任意の
中間色も極めて簡単に形成させることができる。本発明
においては何れの蛍光体も無機蛍光体であり、有機の光
散乱剤やＳｉＯ2などを利用して高コントラストと優れ
た量産性が両立した発光ダイオードを形成させることが
できる。
【００４８】（着色材１２）本発明において、発光素子
を包囲する樹脂中に蛍光物質と共に前記発光素子からの
主発光波長の透過率より長波長側で透過率の高い着色剤
を含有させてもよい。用いられる着色材は、共に含有さ
れる蛍光物質よりも比重が小さく且つ大きい粒径を有す
るものが好ましい。このように、蛍光物質と軽くて大き
い着色材とが作用し合い樹脂中での分散性を向上させる
ことができ、蛍光物質により変換された励起光を高い確
率で着色材に入射させることができる。また着色材は、
結晶あるいはその２個〜３個の強固な結合粒子の凝集体
を機械的に分散させ所望の粒径に調整される。粒径を１
０μｍより小さく調整すると、一度分散させたものが再
び凝集してしまい色ムラの原因となる。そこで本発明に
用いられる着色材の好ましい粒径は１０μｍ〜６０μｍ
であり、より好ましくは３０μｍ〜６０μｍである。こ
のように調整することにより、着色材を凝集させること
なく樹脂中に均一に分散させることができる。
【００４９】また、着色材の表面はなめらかであること
が好ましい。このように構成することで着色材の吸光度
が向上され効率よく蛍光物質からの光を変換することが
できる。
【００５０】また、本発明の着色材は、効率を高めるた
めフレーク形状であることが好ましい。フレーク形状と
は、長さと幅が類似の大きさを持ち、それ以外の辺より
も極めて大きい特色をもった粒子のことである。本発明
の好適なフレーク形状としては、大きい方の寸法が約２
μｍ〜１５μｍであり、厚さが約０．０２μｍ〜５μｍ
である。このようなフレーク形状からなる着色材を用い
ることにより、着色材は樹脂中に平行に配向され、各着
色材への入射光を一定方向に規則的に反射することがで
き、理想的な混色光を得ることができる。
【００５１】具体的には、非不透明フレーク状生成物と
して、雲母を利用して高屈折率を有する金属酸化物で被
膜したものが挙げられる。より具体的には、高輝度に紫
色光を発光させる場合、雲母上に被膜率約４６％で酸化
鉄等を付着させればよい。粒径は１０μｍ〜６０μｍが
好ましい。
【００５２】本願発明に用いられる着色材は無機物が好
ましい。窒化物半導体素子を利用し、直接接するなど発
光素子近傍に配置させた場合、発光素子の出力が大きい
ため着色材自体の劣化が大きな問題となる。発光装置に
用いられる着色材の周辺には、樹脂等によって保護され
るものの内部に含まれた水分や外部から侵入した水分が
存在する。また、駆動用の電気、さらには外来光なども
あり極めて厳しい環境下においても安定して使用できる
必要がある。そのため、無機物が好ましい。
【００５３】（発光素子２）本発明において発光素子２
は少なくとも一部に蛍光物質を含有する樹脂にて包囲さ
れている。本願発明の発光素子は、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
効率良く励起できる窒化物系化合物半導体である。ここ
で、窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎiＧａjＡｌ
kＮ、但し、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝
１）としては、ＩｎＧａＮや各種不純物がドープされた
ＧａＮを始め、種々のものが含まれる。発光素子である
ＬＥＤチップは、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＩｎＧ
ａＮやＧａＮ等の半導体を発光層として形成させる。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
テロ構造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。特に、本願発明においては、ＬＥＤチップの活性層
をＩｎＧａＮからなる多重量子井戸構造とすることによ
り、フォトルミネセンス蛍光体の劣化がなく、より高輝
度に発光する発光装置として利用することができる。
【００５４】窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場
合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＺｎＯ等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガ
リウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いるこ
とが好ましい。このサファイヤ基板上にＧａＮ、ＡｌＮ
等のバッファー層を形成し、その上にｐｎ接合を有する
窒化ガリウム半導体を形成させる。窒化ガリウム系半導
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、Ｇ
ｅ、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
型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂ
ａ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させることが好ま
しい。エッチングなどによりｐ型半導体及びｎ型半導体
の露出面を形成させた後、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。
【００５５】次に、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
窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップを形成
させることができる。
【００５６】（リード電極３，４）本発明のリード電極
３，４は、ＬＥＤチップの各電極と電気的に接続させた
ものであり、発光ダイオードの形態によって種々の形状
を取ることができる。具体的には、砲弾型の発光ダイオ
ードでは、ＬＥＤチップ及び蛍光物質を配置させること
ができるマウント・リードと、ＬＥＤチップの他方の電
極とを金線などによって、電気的に接続させたインナー
・リードで構成することができる。また、ＳＭＤ型ＬＥ
Ｄなどの場合は、一対の金属板をリード電極として構成
することができる。
【００５７】これらリード電極は、導電性ワイヤーであ
るボンディングワイヤー等との接続性及び電気伝導性が
良いことが求められる。具体的材料としては、鉄、銅、
鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀をメッキしたアルミ
ニウム、鉄、銅等が挙げられる。以下、本発明の実施例
について詳述するがこれのみに限られるものでないこと
は言うまでもない。
【００５８】
【実施例】（実施例１）本発明の発光ダイオードとし
て、図１の如き長波長変換型のＳＭＤ型発光ダイオード
を形成させる。発光素子２として、ＩｎＧａＮからなる
発光層を有し主発光ピークが４７０ｎｍのＬＥＤチップ
を用いる。ＬＥＤチップは、ＭＯＣＶＤ法を利用して形
成する。具体的には、反応室内に洗浄したサファイア基
板を配置させる。反応ガスとして、ＴＭＧ（トリメチ
ル）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、ＴＭ
Ａ（トリメチルアルミニウム）ガス、アンモニアガス及
びキャリアガスとして水素ガス、さらには不純物ガスと
してシランガス及びシクロペンタジアマグネシウムを利
用して成膜させる。
【００５９】発光素子の層構成として、サファイア基板
上に低温バッファ層であるＧａＮ、結晶性を向上させる
ノンドープＧａＮ（厚さ約１５０００Å）、電極が形成
されｎ型コンタクト層として働くＳｉドープのＧａＮ
（厚さ約２１６５０Å）、結晶性を向上させるノンドー
プのＧａＮ（厚さ約３０００Å）、ｎ型クラッド層とし
てノンドープのＧａＮ（厚さ約５０Å）、Ｓｉをドープ
したＧａＮ（厚さ約３００Å）の超格子からなる多層
膜、その上に形成される発光層の結晶性を向上させる、
ノンドープのＧａＮ（厚さ約４０Å）と、ノンドープの
ＩｎＧａＮ（厚さ約２０Å）の超格子からなる多層膜、
多重量子井戸構造からなる発光層として、ノンドープの
ＧａＮ（厚さ約２００Å）と、ＩｎＧａＮ（厚さ約２０
Å）の多層膜、ｐ型コンタクト層として働くＭｇがドー
プされたＩｎＧａＮ（厚さ約２５Å）とＭｇがドープさ
れたＧａＡｌＮ（厚さ約４０Å）の超格子からなる多層
膜及びｐ型コンタクト層であるＭｇがドープされたＧａ
Ｎ（厚さ約１２００Å）を成膜させる。
【００６０】こうして成膜した窒化物半導体が成膜され
た半導体ウエハを部分的にエッチングして、ｐ型及びｎ
型コンタクト層を露出させる。スパッタリング法を利用
して、各コンタクト層上にｎ型及びｐ型の電極を形成さ
せた後に、個々の発光素子に分割して青色が発光可能な
体積が約０．０１ｍｍ3であるＬＥＤチップを形成す
る。
【００６１】つぎに、本発明で用いられるキャビティ１
０は、白色樹脂中に更に液晶ポリマーを注入して硬化す
ることにより作成される。尚、注入する液晶ポリマー
は、フィラーとして白色の酸化チタン粉を４０ｗｔ％程
度混合することにより、キャビティ内の表面が青色の光
に対して高い反射率を有するようにしている。
【００６２】更に、本発明に用いられる蛍光物質６は、
Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ及びＡｌの原料として酸化物になる化合
物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料
を得る。又は、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したものを焼成し
て得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合し
て混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アン
モニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気
中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成
して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、
洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることがで
きる。こうして、（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅを
本発明の蛍光物質として形成する。
【００６３】容積が１．０ｍｍ3より大きいキャビティ
１０を用い、キャビティ内底面にＬＥＤチップ２を配置
し、金線９で一対のリード電極３，４に接続させる。そ
して、ＬＥＤチップを包囲するように蛍光物質を６ｗｔ
％を含有させた封止樹脂であるエポキシ樹脂７を１．０
ｍｍ3キャビティ内に充填し硬化させて発光ダイオード
を形成させる。これによって、ＣＩＥの色度表でｘ、ｙ
＝（０．３３、０．３３）の白色光が高輝度に発光可能
な発光ダイオードとすることができる。
【００６４】（比較例１）エポキシ樹脂量を０．２ｍｍ
3とし、実施例１と同様の色度点となるように蛍光物質
を調整したところ、必要とする蛍光物質の含有量は３０
ｗｔ％であり、発光出力は実施例１より約８０％減少し
てしまう。これによって、本発明の発光ダイオードが白
色系など色純度の低い長波長側においても高輝度に発光
することが可能であるといえる。
【００６５】（実施例２）実施例１において、実施例１
で用いたキャビティを大きくし、エポキシ樹脂量を２．
７ｍｍ3とし、実施例１と同様の色度点となるように蛍
光物質を調整したところ、必要とする蛍光物質の含有量
は６ｗｔ％であり、発光出力は実施例１より約７０％向
上する。
【００６６】（実施例３）キャビティ内に充填させるエ
ポキシ樹脂のうち上層部のみに蛍光物質を含有させる以
外は実施例１と同様にして発光ダイオードを形成する
と、発光出力は実施例１より約１０％向上する。
【００６７】（実施例４）実施例１で用いたキャビティ
を大きくし、蛍光物質含有量は２５ｗｔ％と一定にし、
エポキシ樹脂量を１ｍｍ3から１．３５ｍｍ3、２．７ｍ
ｍ3、と変化させてＬＥＤチップを包囲しそれぞれの発
光ダイオードを形成させたところ、樹脂の体積が大きく
なるにしたがって色調は白色から黄色に変化する。ま
た、全ての発光ダイオードにおいて高輝度な発光が得ら
れる。
【００６８】（実施例５）樹脂粘度が４０００ｍＰａ・
ｓであるシリコーン樹脂中に、平均粒径が８μｍで且つ
比重が約４．２である蛍光物質を３ｗｔ％、及び、酸化
鉄被膜率４６％である雲母で且つ平均粒径が３５μｍ、
比重が約３である着色材を０．４４ｗｔ％、共に含有さ
せ均一に分散させた樹脂を、１．０ｍｍ3の体積でもっ
て発光素子を包囲する以外は実施例１と同様にして発光
ダイオードを形成すると、ＣＩＥの色度表でｘ、ｙ＝
（０．２３、０．１２５）であり且つ出力が１．２３ｍ
Ｗである高輝度に発光可能な紫色発光ダイオードが得ら
れる。
【００６９】（比較例２）樹脂として、硬化前の粘度が
６３０ｍＰ・ｓである熱硬化型エポキシ樹脂を用い、平
均粒径が４．０μｍの蛍光物質、及び、平均粒径が２．
０μｍである着色材を、共に含有させ混合分散させたも
のを０．５ｍｍ3の体積でもって発光素子を包囲する以
外は実施例５と同様にして発光ダイオードを形成する
と、発光出力は１０μＷとなり大幅に減少する。
【００７０】
【発明の効果】本発明の発光装置では、特に、４００ｎ
ｍから５３０ｎｍの青色ＬＥＤで励起する蛍光物質を使
用して、青色発光の可能な発光素子からの光の取り出し
効率を低下させ蛍光物質への入射効率を向上させたもの
である。封止樹脂の体積を調整することにより、顔料等
を必要とせず少量の蛍光物質のみで簡単に白色はもちろ
んのこと黄色系を高輝度に発光することが可能な発光装
置を形成することができる。
【００７１】また、樹脂中に蛍光物質と共に着色材を含
有させ、これらの比重及び粒径の関係、及び発光素子と
包囲する封止樹脂との体積の関係を考慮し発光装置を形
成することにより、着色材及び蛍光物質を樹脂中におい
て良好に分散させたまま発光装置を形成することができ
る。このため必要最小限の蛍光物質含有量により発光色
を調整することが可能となり高輝度に発光可能は発光装
置を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＳＭＤ型発光ダイオードの模式的断
面図である。
【図２】 本発明の実施例３におけるＳＭＤ型発光ダイ
オードの模式的断面図である。
【図３】 本発明の別のＳＭＤ型発光ダイオードの模式
的断面図である。
【図４】 本発明と比較のために示した砲弾型発光ダイ
オードの模式的断面図である。
【図５】 実施例４の各封止樹脂量における発光ダイオ
ードの発光スペクトルを示す。（点線：封止樹脂１ｍｍ
3、破線：封止樹脂１．３５ｍｍ3、実線：封止樹脂２．
７ｍｍ3）
【図６】 本発明の実施例５におけるＳＭＤ型発光ダイ
オードの模式的断面図である。
【図７】 本発明の別のＳＭＤ型発光ダイオードの模式
的断面図である。
【図８】 実施例５における紫色発光ダイオードの発光
スペクトルを示す。
【符号の説明】
１・・・基板 ２・・・発光素子 ３、４・・・リード電極 ５・・・導電性部材 ６・・・蛍光物質 ７・・・樹脂 ８・・・ダイボンド樹脂 ９・・・金線 １０・・・キャビティ １１・・・凸レンズ状樹脂 １２・・・着色材

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 支持体上に配置された発光素子と、該発
    光素子からの発光の一部を吸収してそれよりも長波長の
    光が発光可能な蛍光物質と、前記蛍光物質を少なくとも
    含有して前記発光素子を包囲する樹脂とを有する発光装
    置であって、 前記樹脂の体積は前記発光素子の体積の５０倍〜１０6
    倍であることを特徴とする発光装置。
  2. 【請求項２】 前記樹脂の体積は、１ｍｍ3〜１ｃｍ3で
    ある請求項１に記載の発光装置。
  3. 【請求項３】 前記発光素子が窒化物系化合物半導体を
    有すると共に、前記蛍光物質はセリウムで付活されたイ
    ットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体である請
    求項１乃至２に記載の発光装置。
  4. 【請求項４】 前記窒化物半導体はＩｎを含有すると共
    に、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光
    体はＧｄを含有する請求項３に記載の発光装置。
  5. 【請求項５】 前記発光素子が窒化物系化合物半導体を
    有すると共に、前記蛍光物質はＥｕ及び／又はＣｒで付
    活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2である請
    求項１乃至２に記載の発光装置。
  6. 【請求項６】 前記樹脂は、前記蛍光物質からの主発光
    波長の透過率より長波長側で透過率の高い着色材を有す
    る請求項１乃至５に記載の発光装置。
  7. 【請求項７】 前記着色材は前記蛍光物質より比重が小
    さく且つ大きい粒径を有することを特徴とする請求項６
    に記載の発光装置。
  8. 【請求項８】 前記着色材の平均粒径は１０μｍ〜６０
    μｍの範囲である請求項７に記載の発光装置。
  9. 【請求項９】 前記着色剤は雲母と前記雲母表面に設け
    られた雲母より屈折率の高い金属酸化物の被膜層とから
    なることを特徴とする請求項６乃至８に記載の発光装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記発光素子の主発光波長は４００ｎ
    ｍ〜５３０ｎｍの範囲にある請求項６乃至７に記載の発
    光装置。
  11. 【請求項１１】 支持体上に配置された発光素子と、該
    発光素子からの発光の一部を吸収してそれよりも長波長
    の光が発光可能な蛍光物質を有する発光装置の形成方法
    であって、 粘度が３５００ｍＰａ・ｓ〜２００００ｍＰａ・ｓの範
    囲である樹脂中に少なくとも蛍光物質を均一に分散させ
    る第一の工程と、 前記第一の工程で得られた樹脂を前記発光素子の周囲に
    前記発光素子の体積の５０倍〜１０6倍の量で充填させ
    硬化させる第二の工程とを有する発光装置の形成方法。
  12. 【請求項１２】 前記第一の工程において、前記樹脂中
    に前記蛍光物質と共に前記蛍光物質からの主発光波長の
    透過率より長波長側で透過率の高い着色材を含有させ均
    一に分散させることを特徴とする請求項１１に記載の発
    光装置の形成工程。
  13. 【請求項１３】 前記着色材は前記蛍光物質より比重が
    小さく且つ大きい粒径を有することを特徴とする請求項
    １２に記載の発光装置の形成方法。
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