JP2002329896A - Ｌｅｄ面発光装置 - Google Patents

Ｌｅｄ面発光装置

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JP2002329896A
JP2002329896A JP2001135117A JP2001135117A JP2002329896A JP 2002329896 A JP2002329896 A JP 2002329896A JP 2001135117 A JP2001135117 A JP 2001135117A JP 2001135117 A JP2001135117 A JP 2001135117A JP 2002329896 A JP2002329896 A JP 2002329896A
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light emitting
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Junichi Shimada
順一 島田
Yoichi Kawakami
養一 川上
Shigeo Fujita
茂夫 藤田
Yusuke Mori
勇介 森
Takatomo Sasaki
孝友 佐々木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 LEDから発生する熱を適切に放出して、常時
安定的に大光量で発光することのできるLED発光装置を
提供する。 【解決手段】 発光ダイオードチップ４２をダイヤモン
ド基板４１上に載置する。なお、基板４１をダイヤモン
ドとする代わりに、或いはダイヤモンド基板に加えて、
それらの上部をダイヤモンドカバー４５で覆うようにし
ても同様の効果が得られる。ダイヤモンドは電気的に絶
縁体でありながら熱伝導率が非常に良好であるという特
長を有する。このため、大きなLEDチップ４２を載置し
ても、或いは多数のLEDチップ４２を高密度に配置して
も、そこから発生する熱は基板４１又は上部を覆うダイ
ヤモンドカバー４５により速やかに放散し、LEDチップ
４２の温度が過度に上昇することがない。これにより、
LEDチップ４２の発光効率が良好に維持されるととも
に、LEDチップ４２の経時劣化も防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（LED）チップを用いた発光装置、特に、複数のLEDチッ
プを基板上に載置した面発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色発光可能な窒化ガリウム系LED（GaN
-LED）の開発により、照明装置としてのLEDの使用が注
目されつつある。照明装置としてみた場合、白熱電球や
蛍光灯等の従来の照明装置と比較すると窒化ガリウム系
LEDは、(a)素子寿命が実用上無限に近く長い、(b)エネ
ルギ効率が高く、熱放出が少ない、(c)光度が高い、(d)
調光性に優れている（任意の色合いを出すことができ
る）、(e)素子単体が非常に小さいため、任意の形状に
実装することが可能である、等多くの特長を持つ。
【０００３】窒化ガリウム系LEDチップ１０は図１に示
すように、基本的にはサファイア等の基板１１上に、In
xGa1-xN活性層（発光層）１４を挟んでn-GaN負極層１３
とp-GaN正極層１６を積層した構造を有する。なお、活
性層１４とp-GaN層１６の間に、n-GaN層１３からの電子
のオーバーフローを抑えるため、p-AlyGa1-yN層１５（y
は通常0.2程度）を設けることが多い。なお、基板１１
としてはサファイアの他に、導電性基板材料であるSiC
（n型半導体）やGaN（n型半導体）が用いられることも
ある。
【０００４】このLEDチップ１０自体は上記(e)に挙げた
ように非常に小さく、約0.3mm角程度でしかない。しか
し、それに電力を供給するためには適当なリード線を接
続する必要がある。そのため、現在使われているLED２
０は図２に示すように、取り扱いが可能な程度の大きさ
である約1〜5mm程度の透明樹脂或いはガラス２１に封入
されている（これを単体LEDユニットと呼ぶ）。封入部
２１の頂部は略半球状となっており、LEDチップ１０か
らの光を所定の範囲に収束するレンズの作用を果たす。
また、１対のピン２２がその反対側に固定され、それら
は内部においてLEDチップ１０の両極に接続されてい
る。なお、青色LEDから白色光を得る場合は、青色LEDチ
ップ１０の表面に黄色蛍光体を覆う。
【０００５】現在、窒化ガリウム系LEDチップは、数cm
〜10数cm（数インチ）の大きさの基板上に窒化ガリウム
系半導体からなる多層構造を有機金属気相成長法や分子
線エピタキシー法によってヘテロエピタキシャル成長す
ることにより作製されており、成長後0.3ミリ各程度に
切り分けられ、n型及びp型伝導層に電極を形成してLED
チップにマウントされている。各LEDチップの発光効
率、発光波長等の特性は成長層の結晶性や組成不均一等
によってばらついているので、通常、LEDチップ作製後
にこれら諸特性を測定した後、各グレードへの仕分け作
業を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】大光量を得るために、
図２に示すような単体LEDユニット２０を多数２次元的
に配列して面発光装置を構成することは、既にLED照明
パネルとして広く用いられている。
【０００７】しかし、上記の通りLEDチップ１０自体の
大きさが0.3mm角程度であるのに対し、それを封入した
単体LEDユニット２０はその100倍程の面積をもつため、
それを配列した面発光装置の集積度はかなり低いものと
なる。そのため、上記(c)の光度が高いという特長を生
かすことができず、発光装置自体が嵩高く且つ重いもの
となってしまう。
【０００８】複数のLEDチップを２次元的又は１次元的
に密に配設しようとする場合に問題となるのは、それら
に対する電力の供給と、それらから発生する熱の放出で
ある。
【０００９】両問題は密接に関連する。すなわち、LED
をON/OFF表示等の信号ではなく照明として使用する場
合、各LEDチップの電力消費量自体も大きくなる上、そ
れを複数個使用する場合には全体としての電力消費量も
相当なものとなる。具体的には、現在一般に使用されて
いる白熱電球や蛍光灯の消費電力である数十〜百Ｗ以上
となる。基板の表面に多数のLEDチップを高集積度で配
設しようとした場合、従来の技術では基板表面にフォト
リソグラフィーや印刷等で薄い金属膜を設けることとな
るが、そのような基板上の薄い金属膜配線では先述の大
きな電力を供給することは不可能である。
【００１０】また、そのような大電力を消費するという
ことは、その相当部分のエネルギーが熱として放出され
ることを意味する。現在のLEDの発光効率は最大でも青
色LEDで15%、赤色LEDで50%程度であるため、LED発光装
置の大きさを数〜数十mm角とすると、それだけの小面積
から数十Ｗ以上の熱が発生することとなる。従って、適
切な放熱対策を考慮すること無しには、LED発光装置を
実用化することはできない。
【００１１】本発明はこれらの課題のうち放熱に関する
課題を解決するために成されたものであり、その目的は
LEDから発生する熱を適切に放出して、常時安定的に大
光量で発光することのできるLED発光装置を提供するこ
とにある。
【００１２】また、前記の窒化ガリウム系LEDチップの
実用化に関しては、次のような問題がある。LEDチップ
からの発光強度を高め、パワー照明への用途を高めるた
めには、発光体の表面積を大きくすればよいので、LED
チップの大きさを大きくすればよい。例えば、3ミリ角
のLEDを用いれば、発光強度は0.3ミリ角のLEDの約100倍
大きくできるものと期待される。しかしながら、前述し
たように0.3ミリ各程度のLEDチップでも特性のばらつき
のために歩留まりが問題となっており、チップサイズを
大きくしてしまうと所望の特性（発光波長、効率、面内
均一性）を持ったチップの数は著しく減少してしまうた
め、経済性の面から現実的ではない。従って、高効率な
所望の発光スペクトル特性を有するグレードの0.3ミリ
角LEDを多数用意し，それを密に実装する方が優れてい
る。しかも、発光スペクトルの異なる複数の種類のLED
を実装することで、目的に応じたスペクトル分布を有す
るLED白色パワー照明を実現することができる。この場
合、各LED間の電気的接続や放熱性が重要な要件とな
る。
【００１３】本発明は、この窒化ガリウム系LEDチップ
の実用化に関する問題に対しても、適切な解決手段を与
えるものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係るLED面発光装置は、発光ダイオ
ードチップをダイヤモンド基板上に載置したことを特徴
とする。なお、基板をダイヤモンドとする代わりに、或
いはダイヤモンド基板に加えて、それらの上部をダイヤ
モンド又はダイヤモンドライクカーボンで覆うようにし
ても同様の効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態及び効果】ダイヤモンドは電気的に
絶縁体でありながら熱伝導率が非常に良好であるという
特長を有する。具体的には、サファイアや石英の熱伝導
率が0.1〜0.2W/cmK、SiC、GaN、AlNのそれが1.3〜3W/cm
Kであるのに対し、ダイヤモンドの熱伝導率は20W/cmK
（いずれも298Kにおいて）と、１桁から２桁高い。この
ため、大きなLEDチップを載置しても、或いは多数のLED
チップを高密度に配置しても、そこから発生する熱は基
板又は上部を覆うダイヤモンドカバーにより速やかに放
散し、LEDチップの温度が過度に上昇することがない。
これにより、LEDチップの発光効率が良好に維持される
とともに、LEDチップの経時劣化も防ぐことができる。
【００１６】本発明は、載置するLEDチップが１個の場
合でも、そのLEDチップの消費電力が大きい場合には十
分な効果を奏するが、ダイヤモンド基板上に複数の発光
ダイオードを載置したときに、その効果はより顕著なも
のとなる。
【００１７】前述の通り、窒化ガリウム系LEDを大きな
照明装置として実用化するに際しては放熱の問題が大き
な妨げとなっていたが、本発明に係る照明装置はその実
用化に目処をつけるものとなっている。
【００１８】基板及び/又は上部カバーによる伝熱を補
助し、LEDチップからの放熱を更に促進するために、基
板上に設ける給電用の配線の材料には、銀、銅、金、プ
ラチナ等の熱伝導率の良好な金属を用いることが望まし
い。
【００１９】このように、本発明に係るLED面発光装置
ではLEDチップを高密度で実装することができるため、
コンパクト且つ軽量な発光装置・照明装置として利用す
ることができる。このため、例えばゴーグルや眼鏡等
の、常時或いは長時間身体に装着することのできる作業
用（手術用、夜間走行用、夜間作業用、洞窟内作業用
等）、レジャー用（夜釣り用等）照明装置としての使用
に適したものとなる。また、コンパクトであるという長
所を活かした利用としては、液晶プロジェクタ用光源や
自動車等のヘッドライト等が考えられる。
【００２０】
【実施例】本発明の第１の実施例を図３に示す。本実施
例のLED面発光装置３０は、ダイヤモンド基板３１上に
多数のLEDチップ３２を２次元的に配列したものであ
る。隣接するLEDチップ３２の各電極パッドはリード線
３３により接続される。図３（ｂ）に示すように、LED
チップ３２で発生した熱（HEAT）は接着層３４を介して
ダイヤモンド基板３１に伝達され、ダイヤモンド基板３
１の底面又は側面から外部に放出される。これにより、
LEDチップ３２の過度の温度上昇が防止され、LEDチップ
２２は安定した発光を継続することができるとともに、
その経時劣化が確実に防止される。
【００２１】ダイヤモンド基板３１とLEDチップ３２の
間の接着層３４は、LEDチップ３２からダイヤモンド基
板３１への伝熱を確実にしかも高効率で行う必要があ
る。従って、接着層３４としてはダイヤモンドとLEDチ
ップ３２の基板であるサファイア３２ａの双方に親和性
の良い、しかも熱伝導率の良い金属を使用することが望
ましい。そのような金属の例としては、インジウム、
金、スズ等を挙げることができる。インジウム等の金属
を接着層３４として用いる場合、その具体的方法は次の
通りである。まず、ダイヤモンド基板３１上に接着層金
属を薄く（0.数〜数μm）蒸着し、その上にLEDチップ３
２を載せて200℃程度に加熱する。これによりインジウ
ムは溶融し、ダイヤモンド基板３１とLEDチップ３２の
サファイア基板３２ａが高熱伝達率で接着される。
【００２２】なお、LEDチップ３２が基板３２ａとして
サファイアではなくSiC（n型半導体）やGaN（n型半導
体）等の導電性材料を使用する場合も、基本的には上記
と同じ構成とすることができる。この場合、導電性セラ
ミックはサファイアよりも遙かに熱伝導率が良いため、
放熱効果をより高めることができ、LEDチップ３２の実
装密度を高めることができる。
【００２３】本発明の第２実施例を図４に示す。本実施
例のLED面発光装置４０は、上記第１実施例と同様の構
造を持つ上に、基板４１上に載置された全てのLEDチッ
プ４２をダイヤモンド（多結晶ダイヤモンド又はダイヤ
モンドライクカーボン）のカバー４５で覆ったものであ
る。
【００２４】LEDチップ４２において熱が発生するの
は、主にその活性層４２ｂからである。従って、本実施
例のようにLEDチップ４２全体を熱伝導率の良いダイヤ
モンドカバー４５で覆うことにより、活性層４２ｂで発
生した熱は直接ダイヤモンドカバー４５に吸収され、ダ
イヤモンドカバー４５から外部へ、及びダイヤモンドカ
バー４５から接着層４４を介してダイヤモンド基板４１
に伝達され、外部に放出される。これにより、より高い
放熱効果が得られ、LEDチップ４２をより高密度で実装
することができるようになる。
【００２５】図４では、ダイヤモンドカバー４５に穴を
開けてリード線を各LEDチップ４２の電極パッドに直接
接続しているが、電極パッド上に予め、導電率・熱伝導
率とも高い銅のブロックを置き、その上からダイヤモン
ドカバー４５で覆った後にそこに穴を開け、リード線を
接続してもよい。或いは、各LEDチップ４２の電極パッ
ドの上の部分のダイヤモンドカバー４５のみ、導電性を
有するホウ素ドープダイヤモンドとすることもできる。
【００２６】本発明の第３実施例を図５に示す。本実施
例のLED面発光装置５０は、LEDチップ５２間を接続する
給電配線５３をダイヤモンド基板５１上に設けたもので
ある。そのため、図５(a)に示すようにLEDチップは上記
実施例とは逆に、電極パッド５２ｃが下側となるように
基板５１上に載置する。なお、LEDチップ５２の電極パ
ッド５２ｃと給電配線５３との間には、上記同様の接着
層５４を設ける。
【００２７】なお、この実施例においても、第２実施例
と同様にLEDチップ５２全体をダイヤモンド（多結晶ダ
イヤモンド又はダイヤモンドライクカーボン）のカバー
で覆うようにしてもよい（図示せず）。この場合、さら
に、上側となっているLEDチップ５２のサファイア基板
５２ａをレーザ等で削除（リフトオフ）した後にダイヤ
モンドカバーで覆うようにすれば、放熱効果をより高め
ることができる。
【００２８】ダイヤモンド基板３１、４１、５１或いは
ダイヤモンドカバー４５としては、熱伝導率の点からは
単結晶が望ましいが、コストを重視する場合には多結晶
でも構わない。いずれにせよ、その熱伝導率は20W/cmK
程度と、SiC、GaN、AlN等の導電性セラミックのそれと
比較しても１桁高い。カバー４５については、ダイヤモ
ンドライクカーボン（DLC）でもよい。
【００２９】ダイヤモンド基板３１、４１、５１やダイ
ヤモンドカバー４５は、CVDにより、800℃前後で水素や
メタンなどの炭化水素ガスを放電させることにより成長
させることができる。なお、窒化物半導体LEDの成長温
度は約1000℃であるため、ダイヤモンドカバー４５の生
成は問題なく行うことができる。ダイヤモンドライクカ
ーボン（DLC）の場合は、炭化水素ガスを常圧で反応室
に導入し、基板温度を数十℃程度に保持してアーク放電
により成膜する。その他に、イオンビーム堆積法を用い
ることもできる。
【００３０】本発明の第４実施例を図６に示す。本実施
例のLED面発光装置６０は、SiC（n型半導体）、GaN（n
型半導体）等の導電性基板を用いたLEDチップ６１を縦
横に配置し、その上下をダイヤモンド基板６２で挟んだ
ものである。熱は上下のダイヤモンド基板６２から放散
するため、より高い放熱効果が得られる。なお、配線６
３は図６(b)に示すように上下のダイヤモンド基板６２
の表面に配置してもよいが、LEDチップ６１からの発光
をできるだけ妨げないように、一方を透明電極とする
か、又は図５(b)のように電極面を一方向に揃えるよう
にするとよい。
【００３１】以上、いずれの実施例の場合でも、LED面
発光装置３０、４０、５０はLEDチップ３２、４２、５
２で発生した熱を外部に放出させる手段を持つため、隣
接LEDチップ３２、４２、５２間の隙間d、d'（図３
（ａ））を、LEDチップ３２、４２、５２の大きさとほ
ぼ同程度の0.3〜１mmまで狭くすることができる。従来
の単体LEDユニット２０（図２）ではこのような高密度
の配列は不可能であったが、本発明に係るLED発光装置
では多数のLEDチップ３２、４２、５２の高密度配置に
より、極めて高輝度の光源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 窒化ガリウム系LEDチップの概略構成図。
【図２】 砲弾型単体LEDユニットの構成図。
【図３】 本発明の第１の実施例であるLED発光装置の
平面図(a)及び断面図(b)。
【図４】 本発明の第２の実施例であるダイヤモンドカ
バー付LED発光装置の概略構成図。
【図５】 本発明の第３の実施例である基板配線形LED
発光装置の平面図(a)及び拡大断面図(b)。
【図６】 本発明の第４の実施例であるサンドイッチ形
LED発光装置の平面図(a)及び断面図(b)。
【符号の説明】
３０、４０、５０、６０…LED面発光装置 ３１、４１、５１、６１…ダイヤモンド基板 ３２、４２、５２、６２…LEDチップ ３２ａ、４２ａ、５２ａ…LEDチップのサファイア基板 ４２ｂ…LEDチップの活性層 ５２ｃ…LEDチップの電極パッド ３３…リード線 ３４、４４、５４…接着層 ４５…ダイヤモンドカバー ５３…給電配線 ５４…接着層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｓ 1/00 Ｅ (72)発明者 川上 養一 滋賀県草津市下笠町665−６ (72)発明者 藤田 茂夫 京都府京都市伏見区桃山町島津47−35 (72)発明者 森 勇介 大阪府交野市私市８−16−９ (72)発明者 佐々木 孝友 大阪府吹田市山田西２−８ Ａ９−310 Ｆターム(参考） 3K014 LA01 LB02 5F041 AA04 AA22 AA33 CA04 CA12 CA40 DA04 DA07 DA13 DA19 DA34 DA82 DA92 DB08 FF06 FF11

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ダイヤモンド基板上に発光ダイオードチ
    ップを載置したことを特徴とするLED面発光装置。
  2. 【請求項２】 基板及び発光ダイオードチップの上部を
    ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンで覆った
    ことを特徴とするLED面発光装置。
  3. 【請求項３】 上記基板上に複数の発光ダイオードチッ
    プを載置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の
    LED面発光装置。
  4. 【請求項４】 上記基板と発光ダイオードチップの間の
    接着層にインジウムを用いたことを特徴とする請求項１
    〜３のいずれかに記載のLED面発光装置。
  5. 【請求項５】 発光ダイオードが窒化ガリウム系発光ダ
    イオードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
    かに記載のLED面発光装置。
  6. 【請求項６】 ダイヤモンド基板上に給電線を載置し、
    該給電線に電極が接触するように発光ダイオードチップ
    を載置した後、該発光ダイオードチップの基板を削除す
    ることを特徴とするLED面発光装置の製造方法。
JP2001135117A 2001-05-02 2001-05-02 Ｌｅｄ面発光装置 Pending JP2002329896A (ja)

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