JP2004235337A

JP2004235337A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2004235337A
Application number: JP2003020667A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Ando; 雅信安藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】ＬＥＤにおいて、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させること。
【解決手段】ＬＥＤ１１は凸型の半球形状の微細構造６を有する透明エポキシ樹脂２で砲弾形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂２の上にフッ化マグネシウムの層７が形成されている。フッ化マグネシウム７の屈折率は約１．３で、透明エポキシ樹脂２の屈折率約１．５より小さいので、発光素子３を封止している透明エポキシ樹脂２の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造６の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム７の効果とが相俟って大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム７から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂２から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型の発光ダイオードにおいて、表面形状等を改良することによって空気中への光の取り出し効率を向上させた発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
なお、本明細書中においては、ＬＥＤチップそのものは「発光素子」と呼び、ＬＥＤチップを搭載したパッケージ樹脂またはレンズ系等の光学装置を含む全体を「発光ダイオード」または「ＬＥＤ」と呼ぶこととする。
【０００３】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−２０３３９３号公報
【特許文献２】特開２００１−２９８２１６号公報
従来から、より明るいＬＥＤを得るために、発光素子内部の光の取り出し効率を上げる工夫がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１においては、発光素子を透明エポキシ樹脂よりも屈折率の大なる薄膜で被覆し、さらに薄膜表面に凹凸または丸みを帯びた起伏を形成している。これによって、発光素子を形成している屈折率が非常に大きな半導体と透明エポキシ樹脂封止層との屈折率の差を小さくすることができ、半導体内部から外へ出る光について全反射が起こり難くなる。また、一度薄膜へ入った光は表面の凹凸によって再度表面での全反射が起こり難くなっているため、発光素子から出てくる光を有効に外部に導くことができ、光の取り出し効率が改善される。
【０００５】
また、特許文献２においては、発光素子全体を蛍光物質を含有する波長変換層で被覆し、この波長変換層の全表面に一様な波形状の凹凸模様を形成し、この凹凸模様の表面を封止樹脂との封止界面とすることによって、波長変換された光をより一層一様に発光させるとともに界面の接合強度が向上する。そして、発光素子の全方位からの出射光を白色に変換して発光させることができ、発光効率を向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光の取り出し効率の問題は、このようなＬＥＤ内部だけでなく封止樹脂と空気の界面でも起こっている。この問題について、図８を参照して説明する。図８は、従来のランプ型（砲弾形）ＬＥＤの全体構造を示す縦断面図である。
図８に示されるように、このランプ型ＬＥＤ５１は、１対の金属製のリード５５ａ，５５ｂの一方５５ａの先端にカップ型の反射鏡５５ｃを設けてその底面に青色発光素子５３を２つの電極が上面になるようにマウントし、２つの電極から２本のワイヤ５４ａ，５４ｂで１対のリード５５ａ，５５ｂの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード５５ａ，５５ｂの先端部分から青色発光素子５３及び２本のワイヤ５４ａ，５４ｂを透明エポキシ樹脂５２で砲弾形に封止している。
【０００７】
ここで、透明エポキシ樹脂５２の屈折率は約１．５であり空気の屈折率は１．０であるため屈折率の差が大きく、透明エポキシ樹脂５２と空気の界面（即ち、ランプ型ＬＥＤ５１の表面）においてこの屈折率差と界面への入射角で決定される反射率が発生し、その分だけ出射効率が減少する。特に、光線Ｌ０で示されるように界面への入射角がスネルの法則で決まる臨界角を超える光は全反射して透明エポキシ樹脂５２中を伝播し、この間に吸収損失を受けるので、ランプ型ＬＥＤ５１全体としての透明エポキシ樹脂５２から空気への光の取り出し効率はかなり低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るい発光ダイオードを提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び／または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【００１０】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【００１１】
したがって、上記構成のＬＥＤにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び／または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【００１２】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００１３】
請求項２の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び／または凹状の微細構造を有するものである。
【００１４】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び／または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。
したがって、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【００１５】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００１６】
請求項３の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１または請求項２の構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【００１７】
凸状及び／または凹状の微細構造が１個ずつ独立して設けられていると、その間の表面（あるいは界面）は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【００１８】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００１９】
請求項４の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造の大きさは、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲内であるものである。
【００２０】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径１ｍｍ程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径１μｍ程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、４００ｎｍ程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【００２１】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００２２】
請求項５の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【００２３】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約２０％もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にＬＥＤを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【００２４】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００２５】
請求項６の発明にかかる発光ダイオードは、請求項２乃至請求項５のいずれか１つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び／または凹状の微細構造を有するものである。
【００２６】
即ち、本発明のＬＥＤはランプ型ＬＥＤ（砲弾形ＬＥＤ）のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）のように平坦な上面を有するものである。このＳＭＤ型ＬＥＤは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び／または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び／または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、ＬＥＤのサイズ（特に高さ）を小さくできるという作用効果がある。
【００２７】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいＬＥＤとなる。
【００２８】
請求項７の発明にかかる発光ダイオードは、請求項６の構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造は２種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【００２９】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる（上面に対して垂直に近く入射する）ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【００３０】
なお、大きい微細構造を中心付近の周囲に小さい微細構造を中心付近及び外周に位置させるのは、光透過性材料の上面だけでも良いし、封止樹脂及び光透過性材料の両方の上面をかかる配置にしても良い。
【００３１】
このようにして、２種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいＬＥＤとなる。
【００３２】
請求項８の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項７のいずれか１つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【００３３】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約１．３〜１．４であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約１．５に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【００３４】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤを実現することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる発光ダイオードの実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
実施の形態１
まず、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態１について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【００３７】
図１（ａ）に示されるように、本実施の形態１のＬＥＤ１は、１対の金属製のリード５ａ，５ｂのうち一方のリード５ａの先端部分にカップ型の反射鏡５ｃを設けて、その底面に青色発光素子３を２つの電極が上面になるようにマウントし、２つの電極から２本のワイヤ４ａ，４ｂで１対のリード５ａ，５ｂの先端にそれぞれボンディングして電気的接続をとっている。そして、リード５ａ，５ｂの先端部分から青色発光素子３及び２本のワイヤ４ａ，４ｂを透明エポキシ樹脂２で砲弾形に封止している。
【００３８】
ここまでの外観上は図８の従来の砲弾形ＬＥＤと同様であるが、ここで封止用金型のキャビティ面にエッチングによって半球形状の微細な凹みが一面に付けられている。この結果、図１（ｂ）に示されるように、封止樹脂としての透明エポキシ樹脂２の表面に微細構造としての凸型の半球形状６が一面に形成される。これによって、発光素子３から直接または反射鏡５ｃで反射されて透明エポキシ樹脂２の表面に入射した光の入射角が巨視的には臨界角を超えていても、凸型の半球形状の微細構造６に入射することによって、後で図３について説明するように、入射角が非常に小さくなって反射率も非常に小さくなり大部分の光が空気中に放射される場合が多くなる。
【００３９】
このようにして、本実施の形態１のＬＥＤ１は、表面における反射光を少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００４０】
実施の形態２
次に、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態２について、図２及び図３を参照して説明する。図２（ａ）は本発明の実施の形態２にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。図３は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
なお、図１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図２に示されるように、凸型の半球形状の微細構造６を有する透明エポキシ樹脂２で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態２のＬＥＤ１１は実施の形態１のＬＥＤ１と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂２の上に光透過性材料としてのフッ化マグネシウムの層７が形成されていることである。フッ化マグネシウム７の屈折率は約１．３であり、透明エポキシ樹脂２の屈折率約１．５より小さいので、本実施の形態２のＬＥＤ１１は「表面に凸状の微細構造６を有し発光素子３を封止している封止樹脂２と、微細構造６を有する部分を被覆し封止樹脂２よりも低い屈折率を有する光透過性材料７とを具備することを特徴とする」ＬＥＤである。
【００４２】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く反射率もより小さくなる。また、物質２と空気の間により屈折率の小さい物質７を挟めば、物質７と空気の界面、物質２と物質７の界面における全反射はより起き難くくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状の微細構造６が設けられていると、微細構造６に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【００４３】
したがって、本実施の形態２のＬＥＤ１１においては、発光素子３を封止している透明エポキシ樹脂２の表面における全反射と反射率が、凸状の半球形状の微細構造６の効果とその上に被覆された低い屈折率のフッ化マグネシウム７の効果とが相俟って、大きく減少する。さらに、低い屈折率のフッ化マグネシウム７から空気中へ光が放射される場合にも、透明エポキシ樹脂２から直接空気中へ光が放射される場合に比べて、全反射の割合は減少し反射率も低下する。これによって、その分だけＬＥＤ１１から空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【００４４】
この点について、図３を参照してさらに詳しく説明する。破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造６がなく、低い屈折率のフッ化マグネシウム７の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光Ｌ０のように透明エポキシ樹脂２内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造６が存在するために入射角はほぼ０度に近くなり、実線で示される透過光Ｌ１のように透明エポキシ樹脂２とフッ化マグネシウム７の界面を略垂直に透過し、さらにフッ化マグネシウム７の表面でも殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【００４５】
図３の場合には、フッ化マグネシウム７の層がなく外が空気でも、凸状の半球形状の微細構造６のみによって透過光Ｌ１は空気中に放射される。また逆に、凸状の半球形状の微細構造６がなくフッ化マグネシウム７の層のみでも、透明エポキシ樹脂２の屈折率ｎ１≒１．５とフッ化マグネシウム７の屈折率ｎ２≒１．３は近いので、入射光は余り屈折することなく界面を通過してフッ化マグネシウム７の表面から外部放射されるものと考えられる。しかし、凸状の半球形状の微細構造６への入射角がもっと大きい場合には、低屈折率のフッ化マグネシウム７の層による効果と相俟って始めて、入射光の反射率を小さく保って全反射も起こすことなく空気中へ光を放出することができる。
【００４６】
このようにして、本実施の形態２のＬＥＤ１１は、微細構造６と低屈折率の光透過性材料７の効果が相俟って、界面及び表面における反射光を極力少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００４７】
実施の形態３
次に、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態３について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は本発明の実施の形態３にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。なお、図１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
図４に示されるように、凸型の半球形状の微細構造６を有する透明エポキシ樹脂２で砲弾形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態３のＬＥＤ１２は実施の形態１のＬＥＤ１と同様である。異なるのは、さらにこの透明エポキシ樹脂２の上に光透過性材料としてのポリテトラフロロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」とも略する。）１３の層が被覆され、その表面にも凸型の半球形状の微細構造１４が一面に亘って形成されている点である。
【００４９】
これによって、図４（ｂ）に示されるように、破線と実線で示された角度で入射した光は、凸状の半球形状の微細構造６がなく、低い屈折率のＰＴＦＥ１３の層もなかったとしたら、破線で示される全反射光Ｌ０のように透明エポキシ樹脂２内に全反射される。しかし、実際には凸状の半球形状の微細構造６が存在するために入射角はほぼ０度に近くなり、実線で示される透過光Ｌ１のように透明エポキシ樹脂２とＰＴＦＥ１３の界面を略垂直に透過し、さらにＰＴＦＥ１３の表面に形成された凸状の半球形状の微細構造１４に入射して略垂直に透過し、殆ど反射されることなく空気中に放射される。
【００５０】
このようにして、本実施の形態３のＬＥＤ１２は、微細構造６と低屈折率の光透過性材料１３とさらにその表面に形成された微細構造１４の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００５１】
実施の形態４
次に、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態４について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は本発明の実施の形態４にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【００５２】
図５（ａ）に示されるように、本実施の形態４のＬＥＤ２０は表面実装型の構造を有している。即ち、基板２６の表面から裏面まで１対の金属製のリード板２５ａ，２５ｂを回り込ませて、基板２６の表面中央に位置するリード板２５ａの上に青色発光素子３を２つの電極が上面にくるようにマウントし、２つの電極から２本のワイヤ４ａ，４ｂをそれぞれリード板２５ａ，２５ｂにボンディングして電気的接続をとっている。リード板２５ａ，２５ｂの表面の大部分と青色発光素子３とワイヤ４ａ，４ｂとは、透明エポキシ樹脂２１によって略四角錐台形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂２１の上面にはフッ化マグネシウム２２の層が形成されている。
【００５３】
そして、図５（ｂ）に示されるように、透明エポキシ樹脂２１の上面及びフッ化マグネシウム２２の層の表面には、凸状の半球形状の微細構造２３，２４がそれぞれ互い違いになるように形成されている。これによって、実施の形態３と同様に、本実施の形態４のＬＥＤ２０は、微細構造２３と低屈折率の光透過性材料２２とさらにその表面に形成された微細構造２４の効果が相俟って、界面及び表面における反射光をより少なくすることができ、発光素子３から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させることができる。
【００５４】
のみならず、本実施の形態４のＬＥＤ２０においては、フッ化マグネシウム２２の層及び凸状の半球形状の微細構造２３，２４を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。また、表面実装型のＬＥＤとしたことによって、高さをランプ型の１／４〜１／５程度にすることができ、ＬＥＤを小型化することができる。
【００５５】
実施の形態５
次に、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態５について、図６を参照して説明する。図６（ａ）は本発明の実施の形態５にかかるＬＥＤの上面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５６】
図６（ｂ）に示されるように、本実施の形態５のＬＥＤ３０も表面実装型の構造を有しており、円板形のセラミックス基板３５の表面から裏面に回り込むように互いに絶縁された１対の金属膜３６ａ，３６ｂを付けて、セラミックス基板３５の表面中央に位置する金属膜３６ａの上に青色発光素子３を２つの電極が上面にくるようにマウントし、２つの電極から２本のワイヤ４ａ，４ｂをそれぞれ金属膜３６ａ，３６ｂにボンディングして電気的接続をとっている。金属膜３６ａ，３６ｂの表面の大部分と青色発光素子３とワイヤ４ａ，４ｂとは、透明エポキシ樹脂３３によって略円板形に樹脂封止され、さらに透明エポキシ樹脂３３の上面にはフッ化マグネシウム３１の層が形成されている。
【００５７】
そして、透明エポキシ樹脂３３の上面及びフッ化マグネシウム３１の層の表面には、それぞれ凸状の半球形状の微細構造３４，３２が間隔を空けずに連続的に形成されている。これらの凸状の半球形状の微細構造３２，３４はほぼ同じ大きさで、互い違いになるように配置されている。即ち、図６（ａ）において示されているフッ化マグネシウム３１の層の微細構造３２と同じ大きさで半球形状の半径分だけずれた下方に透明エポキシ樹脂３３の微細構造３４が連続的に形成されている。
【００５８】
このように、凸状の半球形状の微細構造３２，３４を連続して設けることによって、発光素子３から放射される光が必ず微細構造３２，３４に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけＬＥＤ３０から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。また、表面実装型の構造とすることによって高さがランプ型の１／４〜１／５程度になり、ＬＥＤを小型化することができる。
【００５９】
のみならず、本実施の形態５のＬＥＤ３０においては、凸状の半球形状の微細構造３２，３４を上面にのみ設けたため、上面からの出射光量を多くすることができ、配光制御をすることができる。
【００６０】
実施の形態６
次に、本発明にかかるＬＥＤの実施の形態６について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は本発明の実施の形態６にかかるＬＥＤの上面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、図６と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
図７（ｂ）に示されるように、透明エポキシ樹脂３３によって上面に凸状の半球形状の微細構造３４を有する略円板形に樹脂封止されるところまでは、本実施の形態６のＬＥＤ４０は実施の形態５のＬＥＤ３０と同様である。異なるのは、透明エポキシ樹脂３３の上に被覆されるフッ化マグネシウム４１の層の上面に形成される凸状の半球形状の微細構造が、ＬＥＤ４０の中心付近の微細構造４２では透明エポキシ樹脂３３の微細構造３４と同程度の大きさであるが、中心付近の周囲の微細構造４３においては半球形状の半径が微細構造４２の約４倍程度に大きくなっている点である。
【００６２】
かかる構造にしたのは、ＬＥＤ４０の中心付近即ち発光素子３の真上付近の透明エポキシ樹脂３３及びフッ化マグネシウム４１の上面への光の入射角は非常に小さくなる（上面に対して垂直に近く入射する）ので、小さい微細構造４２でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造４３を配置することによって、微細構造４３への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【００６３】
なお、本実施の形態６においては、小さい微細構造４２を中心付近に大きい微細構造４３を中心付近の周囲に位置させるのは光透過性材料としてのフッ化マグネシウム４１の上面だけとしたが、透明エポキシ樹脂３３及びフッ化マグネシウム４１の両方の上面をかかる構造にしても良い。
【００６４】
このようにして、本実施の形態６のＬＥＤ４０においては、２種類の大きさの微細構造４２，４３をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子３から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいＬＥＤとなる。
【００６５】
上記各実施の形態においては、凸状及び／または凹状の微細構造として凸状の半球形状の微細構造を採用した場合について説明したが、凹状の半球形状や凸状の円錐形状等、その他の形状の微細構造を採用しても良い。また、微細構造の形成方法として封止金型のキャビティ面をエッチングする方法のみを例に挙げたが、その他にも封止金型のキャビティ面にレーザ加工・ドリル加工等を施す方法や、封止樹脂または光透過性材料の層を形成した後にレーザ加工技術によって表面を直接加工する方法等で形成することができる。
【００６６】
また、上記各実施の形態においては、封止樹脂として透明エポキシ樹脂を用いた場合について説明したが、他にも透明シリコン樹脂を始めとして、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性を有する樹脂であれば、どのような樹脂を用いても構わない。
【００６７】
さらに、封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料として、上記実施の形態３のみポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）を用い、他の実施の形態においてはフッ化マグネシウムを用いた場合について説明したが、他の実施の形態においてもＰＴＦＥを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良いし、上記実施の形態３においてもフッ化マグネシウムを始めとするその他の封止樹脂よりも低い屈折率を有する材料を用いても良い。
【００６８】
また、上記各実施の形態においては、発光素子として青色発光素子３を２つの電極を上にしてワイヤボンディングした場合について説明したが、２つの電極を下にして金バンプ等によりフリップチップ型構造としても良いし、赤色発光素子、緑色発光素子等、その他の種類の発光素子を用いることもできる。
【００６９】
発光ダイオードのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても上記各実施の形態に限定されるものではない。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明にかかる発光ダイオードは、発光素子と、表面に凸状及び／または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備するものである。
【００７１】
物質内から空気中へ光が放射されるときは、スネルの屈折の法則により物質と空気の屈折率の差が小さい方が、即ち物質の屈折率がより小さい方が全反射が起き難く、反射率も小さくなる。また、物質と空気の間により屈折率の小さい物質を挟めば、物質と空気の界面、物質と物質の界面における全反射はより起き難くくなり、反射率も小さくなる。さらに、スネルの法則における臨界角を超えて全反射が生ずる角度で光が界面に達しても、界面に凸状または凹状の微細構造が設けられていると、微細構造に対する光の入射角が臨界角以下になる場合が多い。
【００７２】
したがって、上記構成のＬＥＤにおいては、発光素子を封止している封止樹脂の表面における全反射が、凸状及び／または凹状の微細構造の効果とその上に被覆された低い屈折率の光透過性材料の効果とが相俟って大きく減少し、反射率も大きく低下する。さらに、低い屈折率の光透過性材料から空気中へ光が放射される場合にも、封止樹脂から直接空気中へ光が放射される従来の場合に比べて、全反射の割合は減少し、反射率も大きく低下する。これによって、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率が向上することになる。
【００７３】
このようにして、表面における反射光を極力少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００７４】
請求項２の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１の構成において、前記光透過性材料の表面にも凸状及び／または凹状の微細構造を有するものである。
【００７５】
これによって、光透過性材料の表面における全反射及び反射率が凸状及び／または凹状の微細構造の効果と低い屈折率の効果とが相俟って、大きく減少する。したがって、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率がより大きく向上する。
【００７６】
このようにして、表面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００７７】
請求項３の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１または請求項２の構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造は、連続して設けられているものである。
【００７８】
凸状及び／または凹状の微細構造が１個ずつ独立して設けられていると、その間の表面（あるいは界面）は平滑になってしまい、全反射が起こる確率が高くなる。そこで、微細構造を連続して設けることによって、内部から放射される光が必ず微細構造に当るようにして全反射が起こる確率を極力低くするとともに反射率も低下させて、その分だけＬＥＤから空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させている。
【００７９】
このようにして、表面及び界面における反射光をさらに少なくすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００８０】
請求項４の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造の大きさは、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲内であるものである。
【００８１】
発明者が、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションしてみたところ、半球直径１ｍｍ程度から取り出し効率向上の効果が表れ、半球直径を小さくして行くにしたがって向上の効果は増大して行き、半球直径１μｍ程度までは増大した。なおも半球直径を小さくしてみたところ、４００ｎｍ程度までは取り出し効率向上の効果が維持された。そこで、波長依存性や加工の実現性等も考慮して、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲を光の取り出し効率向上の効果が得られる微細構造の大きさの範囲として設定したものである。この範囲の大きさの微細構造であれば、凸状半球形状以外の形状であっても光の取り出し効率向上の効果が得られると考えられる。
【００８２】
このようにして、微細構造の大きさをシミュレーションから割り出した範囲内とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００８３】
請求項５の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つの構成において、前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であるものである。
【００８４】
上述の如く、凸状半球形状の微細構造について光の取り出し効率の微細構造大きさ依存性についてシミュレーションした結果、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲で光の取り出し効率の向上効果が確認され、その最大値は約２０％もの取り出し効率の向上となった。このように、実際にシミュレーションした結果大きな取り出し効率の向上が確認された凸状半球形状の微細構造ならば、実際にＬＥＤを作製した場合にも確実に大きな光の取り出し効率の向上効果が得られると考えられる。
【００８５】
このようにして、微細構造の形状を凸状の略半球形状とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を確実に大きく向上させた明るいＬＥＤとなる。
【００８６】
請求項６の発明にかかる発光ダイオードは、請求項２乃至請求項５のいずれか１つの構成において、前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び／または凹状の微細構造を有するものである。
【００８７】
即ち、本発明のＬＥＤはランプ型ＬＥＤ（砲弾形ＬＥＤ）のような上部が丸く突出した形状ではなく、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）のように平坦な上面を有するものである。このＳＭＤ型ＬＥＤは、基板上にマウントされた発光素子を上面が巨視的には平坦になるように樹脂封止し、この上面に凸状及び／または凹状の微細構造を形成し、その上に光透過性材料の層を被覆してその上面にも凸状及び／または凹状の微細構造を形成したものである。したがって、光の取り出し効率を向上させるだけでなく、ＬＥＤのサイズ（特に高さ）を小さくできるという作用効果がある。
【００８８】
このようにして、封止樹脂及び光透過性材料の上面をそれぞれ巨視的には平坦とすることによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率を向上させるとともに小型化された明るいＬＥＤとなる。
【００８９】
請求項７の発明にかかる発光ダイオードは、請求項６の構成において、前記凸状及び／または凹状の微細構造は２種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置しているものである。
【００９０】
かかる配置にしたのは、中心付近即ち発光素子の真上付近の封止樹脂及び光透過性材料の上面への光の入射角は非常に小さくなる（上面に対して垂直に近く入射する）ので、小さい微細構造でも反射率は非常に小さくなるのに対して、中心付近の周囲は上面への光の入射角が大きくなって臨界角に近づくので、大きい微細構造を配置することによって、微細構造への光の入射角を小さくして全反射が起こらないようにするためである。
【００９１】
このようにして、２種類の大きさの微細構造をそれぞれ適切な位置に配置することによって、発光素子から空気中への光の取り出し効率をさらに向上させるとともに小型化された明るいＬＥＤとなる。
【００９２】
請求項８の発明にかかる発光ダイオードは、請求項１乃至請求項７のいずれか１つの構成において、前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであるものである。
【００９３】
透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂は、硬化前の流動性・充填性並びに硬化後の透明性・耐候性に優れ、封止樹脂として最も適している。また、フッ化マグネシウム及びポリテトラフロロエチレンは、透明性に優れ屈折率が約１．３〜１．４であり、透明エポキシ樹脂及び透明シリコン樹脂の屈折率約１．５に比べて小さいので光透過性材料として相応しい。
【００９４】
このようにして、具体的材料として封止樹脂としては透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂、光透過性材料としてはフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンを用いることによって、表面及び界面における反射光を少なくして、発光素子から空気中への光の取り出し効率をより大きく向上させた明るいＬＥＤを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態１にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の実施の形態２にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図３】図３は微細構造と光透過性材料による光取り出し効率の向上を示す説明図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施の形態３にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の実施の形態４にかかるＬＥＤの全体構造を示す縦断面図、（ｂ）はＬＥＤの表面の微細構造を示す部分拡大断面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の実施の形態５にかかるＬＥＤの上面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】図７（ａ）は本発明の実施の形態６にかかるＬＥＤの上面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】図８は、従来のランプ型（砲弾形）ＬＥＤの全体構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１，１２，２０，３０，４０発光ダイオード（ＬＥＤ）
２，２１，３１，４１封止樹脂
３発光素子
６，１４，２３，２４，３２，３４，４２，４３微細構造
７，１３，２２，３３光透過性材料
Ｌ０全反射光
Ｌ１透過光

Claims

発光素子と、
表面に凸状及び／または凹状の微細構造を有し、前記発光素子を封止している封止樹脂と、
前記微細構造を有する部分を被覆し、前記封止樹脂よりも低い屈折率を有する光透過性材料とを具備することを特徴とする発光ダイオード。
前記光透過性材料の表面にも凸状及び／または凹状の微細構造を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
前記凸状及び／または凹状の微細構造は、連続して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光ダイオード。
前記凸状及び／または凹状の微細構造の大きさは、約０．５μｍ〜約１ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
前記微細構造の形状は凸状の略半球形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
前記封止樹脂及び前記光透過性材料の上面はそれぞれ巨視的には平坦であり、前記上面に前記凸状及び／または凹状の微細構造を有することを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
前記凸状及び／または凹状の微細構造は２種類の大きさからなり、小さい微細構造は中心付近に、大きい微細構造は前記中心付近の周囲に位置していることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
前記封止樹脂は透明エポキシ樹脂または透明シリコン樹脂であり、前記光透過性材料はフッ化マグネシウムまたはポリテトラフロロエチレンであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の発光ダイオード。