JP2005005544A

JP2005005544A - White light emitting element

Info

Publication number: JP2005005544A
Application number: JP2003168548A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Fujiwara; 伸介藤原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-power white light emitting element not to easily degrade and usable for illumination even when applied with high power. <P>SOLUTION: The white light emitting element comprises a fluorescent substance 4, a light emitting diode (LED) substrate 2, and a light emitting diode (LED) light emitting layer 3. The fluorescent substance 4 is selected from a group consisting of substances wherewith the relation between the thermal conductivity λ(W/cmK) and the optical absorption coefficient α(1/cm) for the light from the LED substrate 2 and from the LED light emitting layer 3 satisfies the inequality: λα>2. The material for the LED substrate 2 is selected from the group consisting of SiC, GaN, and AlN; and then the LED light emitting layer 3 is arranged in contact with the fluorescent substance 4. In another embodiment, wherein the LED substrate 2 is made of sapphire, the LED substrate 2 is arranged in contact with the fluorescent substance 4. In a white light emitting element constituted in this way, heat is sufficiently radiated even when a power of ≥200 W/cm<SP>2</SP>is inputted, and this excludes the adverse effect of temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明用、表示用、液晶バックライトなどに利用できる白色発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
白色光を発する発光ダイオードは近年種々工夫されてきている。白色光は赤、緑、青と言った光の三原色を有する発光ダイオードを組み合わせることでも達成できるが、安価で省スペースとするには、単一のダイオードで白色を発光できるダイオードが望まれる。そして、特に電球や蛍光灯に代わって照明に用いられる程度の光度の大きな白色光を発するダイオードが要求される。
【０００３】
これに対し、最近では図７（ａ），（ｂ）に示されるようなＩｎＧａＮ系の青色ＬＥＤの周囲を、粉末状のＹＡＧ蛍光体を分散させた透明樹脂層で包囲することにより、ＬＥＤから発する青色の光の一部を黄色光に変換し、ＬＥＤからの青色光とＹＡＧ蛍光体からの黄色光が合成され、白色光とする技術が開示されている（非特許文献１参照）。この技術は、図７（ａ）に記載するように、透明樹脂１０１でモールドした中に、リード１０２と電極のみのリード１０３が固定されており、ＬＥＤチップ１０７はリード１０２の先端部に形成されているくぼみ１０４に搭載されている。ＬＥＤチップ１０７には、リード１０２とリード１０３とにそれぞれワイヤ１０５とワイヤ１０６が接続されている。くぼみ１０４にはＬＥＤチップ１０７を覆ってＹＡＧ蛍光体１１０が充填されている。
図７（ｂ）は、ＬＥＤチップ１０７近辺の拡大図である。リード１０２のくぼみ１０４にはＬＥＤが設置されるが、ＬＥＤ基板１０９が下に、ＬＥＤ発光部１０８が上に位置する。ＬＥＤの周囲には、くぼみ１０４に充填された透明樹脂中に分散するＹＡＧ蛍光体１１０が充填されている。ＬＥＤ発光部１０８から上方に向かって発光された青色光Ｂは、ＹＡＧ蛍光体１１０に一部吸収され、黄色光Ｙを発光する。青色光Ｂは一部がＹＡＧ蛍光体１１０をそのまま通過するため、前記黄色光Ｙと重なって白色光を発することになる。
【０００４】
また、図８（ａ），（ｂ）に示す他の技術がある（特許文献１参照）。図８（ａ）において、透明樹脂１１１でモールドされたＬＥＤを搭載するリード１１２と、電極のみのリード１１３がある。リード１１２に搭載されたＬＥＤは、ＺｎＳｅのＬＥＤ基板１１６とＺｎＣｄＳｅのＬＥＤ発光部１１５から構成される。このＬＥＤは導電性があるため、電極の一端はリード１１２を直接利用し、他端はワイヤ１１４でリード１１３に接続する。白色発光の原理は、図８（ｂ）のＬＥＤ部分の拡大図によって説明する。リード１１２上に搭載されたＬＥＤは、ＺｎＳｅのＬＥＤ基板１１６と、その上にあるＺｎＣｄＳｅのＬＥＤ発光部１１５からなる。ＬＥＤ発光部１１５で発光する青色光Ｂは直接透明樹脂１１１側（記載略）に行くものと、ＬＥＤ基板１１６側に行くものがあり、ＬＥＤ基板１１６に入光した青色光Ｂは、ＺｎＳｅ中で吸収されると共に自己励起光を発する。この自己励起光は黄色光Ｙ乃至橙色となり、ＺｎＣｄＳｅのＬＥＤ発光部１１５を透過して透明樹脂１１１に行く。即ち外部から見れば、青色光Ｂと黄色光Ｙが重なって白色光として見える。
【０００５】
さらに図９では、別の構造を有する技術を開示する（特許文献２参照）。この技術は、ステム１２７に固定されたＬＥＤチップ１２６を搭載するリード１２２と、電極のみのリード１２３とを透明樹脂１２１が覆っている。透明樹脂１２１の中には、ＬＥＤチップ１２６とワイヤ１２４がリードと共に埋め込まれている。透明樹脂１２１の上部には窓材１２５が備えられ、該窓材はＺｎＳｅを用いている。ＬＥＤチップ１２６は、ＩｎＧａＮ系の発光部を有し、青色光を発する。この光は、窓材１２５を透過して外部に出ると共に、一部が窓材１２５中で吸収され、黄色光乃至橙光となって自己励起光を発光する。外部からは、窓材１２５を通過した青色光と、窓材１２５中での黄色光乃至橙光の自己励起光とが重なって、白色光として見える。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−８２８４５号公報、（００１９〜００２０，図３ｂ）
【特許文献２】
特開２０００−２６１０３４号公報、（００３０〜００３１，図１）
【非特許文献１】
「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、ｐ４５７，１９９７年６月
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
既に先行技術として白色光を発するＬＥＤは、前記したように存在する。これらの白色発光素子は、信号他低出力での使用においては特に問題なく使用できる。しかし、照明の代用となる高出力の使用においては、それぞれさらなる工夫が必要である。例えば、ＹＡＧ蛍光体は、高出力により発生する熱で透明性が低下する。ＺｎＳｅ基板の場合は、青色発光層が劣化しやすい。また、ＺｎＳｅ窓材の場合では、窓材の発する熱が放散しきれない。こういった問題により、前記技術を直接高出力のＬＥＤとするには無理があり、さらなる改良が必要となる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、蛍光体と発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み合わせてなる発光素子であって、前記蛍光体は、熱伝導率λ（Ｗ／ｃｍＫ）と前記ＬＥＤからの光に対する吸収係数α（１／ｃｍ）との関係が、λα＞２である材料から選ばれ、かつ、前記ＬＥＤを構成する基板がＳｉＣ、ＧａＮ及びＡｌＮのいずれかから選ばれ、該ＬＥＤと前記蛍光体が接して配置されるか、または、前記ＬＥＤに用いる基板がＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びサファイアのいずれかであり、該ＬＥＤの基板側に前記蛍光体が接して配置されていることを特徴とする白色発光素子である。このような構成により、ＬＥＤチップに負荷する投入電力密度を２００Ｗ／ｃｍ^２以上で使用できるものである。ここで接して配置するとは、接着剤等を用いて密着させる意味である。
特に使用するＬＥＤには、ＩｎＧａＮ系を用いるとよい。
【０００９】
本発明の第２の発明は、ステム上に設置された、蛍光体と発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み合わせてなる発光素子であって、前記ステム上の前記ＬＥＤは、周囲の一部若しくは全部を放熱体で囲まれており、その上部に該放熱体と接して蛍光体が設置されている構造を特徴とする白色発光素子である。
特に、使用する蛍光体の厚みｔ（ｃｍ）が、蛍光体の面積をＳ（ｃｍ^２）、熱伝導率をλ（Ｗ／ｃｍＫ）で表したときに、
√Ｓ＞ｔ＞６Ｓ／２０００λ
の範囲にあると、好ましい。通常の低出力では問題はないが、蛍光体の厚みを上記範囲とすることにより、放熱効果が著しい。
また、ＬＥＤを構成する基板がＳｉＣ、ＧａＮ及びＡｌＮのいずれかから選ばれるか、または、前記ＬＥＤに用いる基板がＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びサファイアのいずれかであり、該ＬＥＤがフリップチップ型に実装されている構成をとることにより、放熱性を配慮した構成となり好ましい。
【００１０】
以上２つの発明において、放熱体の主成分がＡｌ又はＣｕであると熱伝導率を大きくすることができるため、放熱性が良く好ましい。また、使用する蛍光体がＺｎＳ_ｘＳｅ_１−ｘ（０≦ｘ≦１）によって形成されていると、白色光を形成する蛍光体として好ましい。その蛍光体中に、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのいずれか１種以上を１×１０^１７個／ｃｍ^３以上含ませておくのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の発明は、図１（ａ），（ｂ）の模式図を用いて説明する。図１の（ａ）はＬＥＤ基板の発光部を上にする通常の搭載形態であり、（ｂ）はＬＥＤをフリップチップに搭載する形態である。図１（ａ）では、ステム１にＬＥＤ基板２が接続され、その上にＬＥＤ発光部３が位置する。さらにその上には蛍光体４が搭載される。ＬＥＤはＬＥＤ発光部側に電極が配置されているため、ワイヤ５，５´でステム上に配置された電極６，６´で外部電極に接続する。電極６，６´はステム１とは絶縁７、７´により絶縁されている。また、図１（ｂ）では、ステム１１上にＬＥＤがフリップチップで搭載されている。即ちＬＥＤ発光部１３がＬＥＤの電極と共にステム１１に接しており、その上にＬＥＤ基板１２が位置する。ＬＥＤ基板１２の更に上方には蛍光体１４が接する。ＬＥＤの電極はステム１１に配置された電極１６，１６´に直結しているため、ワイヤは不要となる。電極１６，１６´は絶縁１７，１７´によりステム１１とは絶縁されている。以上の構造を持ち、その材質的特徴は蛍光体４，１４において、熱伝導率をλ（Ｗ／ｃｍＫ）、ＬＥＤの光に対する吸収係数をα（１／ｃｍ）としたときに、λα＞２を満たすことである。また、図１（ａ）の場合は、ＬＥＤ基板２に用いる材料をＳｉＣ，ＧａＮ若しくはＡｌＮとし、図１（ｂ）の場合は、ＬＥＤ基板１２に用いる材料をＳｉＣ，ＧａＮ、ＡｌＮ若しくはサファイアとした点にある。
【００１２】
こうした構造を取る理由は、発生する熱の排出にある。即ち、ＬＥＤを取り巻く透明樹脂は、熱伝導性が小さく、そこに混合された蛍光体が発光すると同時に発熱しても、周囲の透明樹脂による熱伝導は期待できない。ところが、透明樹脂に比べ熱伝導性が大きい蛍光体を集中させれば、透明樹脂の昇温は防げる。また、そこで発生する熱を透明樹脂以外の熱放熱性の良い材料に接しておけば、蛍光体自身の昇温も防ぐことが出来る。
以上の内容から、図１の構成が成り立つ。これを簡略した計算により以下に説明する。
【００１３】
図１（ａ）の構成で作製された白色発光素子を想定する。ここで、
ｗ_１：ＬＥＤの発熱密度（Ｗ／ｃｍ^２）
ｗ_２：蛍光体の発熱密度（Ｗ／ｃｍ^２）
Ｔ_０：ＬＥＤ下面の温度（Ｋ）
Ｔ_１：ＬＥＤ上面の温度（Ｋ）
Ｔ_２：蛍光体上面の温度（Ｋ）
Ｇ_１：ＬＥＤ基板中の温度勾配（Ｋ／ｃｍ）
Ｇ_２：蛍光体中の温度勾配（Ｋ／ｃｍ）
λ_１：ＬＥＤ基板の熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）
λ_２：蛍光体の熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）
ｔ_１：ＬＥＤ基板の厚み（ｃｍ）
ｔ_２：蛍光体の厚み（ｃｍ）
とおいて、定常状態での熱流バランスを式で表すと、
ｗ_１＋ｗ_２＝λ_１Ｇ_１、ｗ_２＝λ_２Ｇ_２
Ｔ_１＝Ｔ_０＋ｔ_１Ｇ_１、Ｔ_２＝Ｔ_１＋ｔ_２Ｇ_２
と示される。ここでＬＥＤと蛍光体の発熱は、それぞれの表面で発生する仮定をおいているが、温度上昇が過大となる傾向であり、安全上問題はない。
【００１４】
前記式を整理し、ＬＥＤへの投入電力密度をｗ_０（Ｗ／ｃｍ^２）とした場合の式に置き換えると以下のようになる。
ΔＴ_１＝Ｔ_１−Ｔ_０＝ｔ_１（ｗ_１＋ｗ_２）／λ_１＝（（ａ_１＋ａ_２）ｔ_１／λ_１）ｗ_０
ΔＴ_２＝Ｔ_２−Ｔ_０＝ｔ_１（ｗ_１＋ｗ_２）／λ_１＋ｔ_２ｗ_２／λ_２＝（（ａ_１＋ａ_２）ｔ_１／λ_１＋ａ_２ｔ_２／λ_２）ｗ_０
ここで、ｗ_１＝ａ_１ｗ_０、ｗ_２＝ａ_２ｗ_０とし、ａ_１、ａ_２はそれぞれＬＥＤの発熱率、蛍光体の発熱率である。
【００１５】
以上の式を用いて具体的な温度上昇を見積もると以下のようになる。
図１（ａ）において、ＬＥＤ基板２にサファイアを、ＬＥＤ発光部３にＩｎＧａＮを蛍光体４にＺｎＳＳｅ（ＺｎＳ組成０．５）を用いた場合を例に挙げる。
具体的な数値は、
λ_１（サファイア）：０．３Ｗ／ｃｍＫ、 λ_２（ＺｎＳＳｅ）：０．１５Ｗ／ｃｍＫ
ｔ_１（ＬＥＤ厚み）：０．０４ｃｍ、ｔ_２（蛍光体厚み）：０．０１ｃｍ
ａ_１：０．７，ａ_２：０．１
とした。ａ_１は、ＩｎＧａＮの外部量子効率が約３０％であるため、残りが発熱に使用されることとした。ａ_２は、ＩｎＧａＮからの光の１０％は蛍光体を通過し、２０％が蛍光体に入りそのうち１０％が蛍光体内で発熱に使用されるとして数値を決めた。
【００１６】
以上の数値を前記式に当てはめて計算すると、表１のようになる。ここで、投入電力密度が２００Ｗ／ｃｍ^２を越えると、蛍光体はＬＥＤにより、２０℃以上の温度上昇を受けるため、好ましくない状況になる。
また、この温度差はそのほとんどがＬＥＤチップに起因するが、ＬＥＤの熱伝導率が大きくないために、熱伝導率が大きい蛍光体を使用した効果が十分に発揮できていない。そこで、ＬＥＤ基板に熱伝導率の大きい材料を使用すると良いことが解る。
ＬＥＤ基板としては、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤを形成でき、高熱伝導率でかつＬＥＤ発光に対して透明であることが必要である。ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮがこの条件に当てはまる。
そこで、これらの材料を用いた前記式のシミュレーション計算をした結果が、表２である。表２では、投入電力密度ｗ_０が２００Ｗ／ｃｍ^２である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
表２によれば、前記３種類の基板材料において、ＬＥＤ内の温度差（ΔＴ_１）と蛍光体内での温度差（ΔＴ_２−ΔＴ_１）が大きな差をもたず、大きな投入電力密度を負荷しても使用できる構成となる。ＬＥＤ基板の熱伝導率が大きい材料を使用することによって温度勾配を押さえることが出来ることは、以上述べたとおりであるが、蛍光体における温度差を押さえるには、以下のようになる。
蛍光体においても、熱伝導率の大きな材料が得られれば問題はない。ところが、蛍光体の目的は、ＬＥＤからの単色光を一旦吸収し、波長の長い光として自己励起光を発するものであり、単色光を一部通過する必要から、該単色光に対して透明である必要がある。こうした条件の中で材料を選択することになり、材料の物性にも限りがある。そこで蛍光体の材料を有効に使用する条件を見いだした。即ち、前記に使用された式の関係からａ_２ｔ_２／λ_２が小さくなるようにすれば、解決できる。
即ち、
ａ_２ｔ_２／λ_２＜（ａ_１＋ａ_２）ｔ_１／λ_１
上記式に前述の計算に用いた数値を入れると、
ｔ_２／λ_２＜１
なる条件にすれば良い。即ち、蛍光体の厚み（ｃｍ）は、蛍光体の熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）より小さい値とすることになる。実体的には、ＬＥＤ発光からの熱吸収は蛍光体の表面近くでほとんど吸収されてしまうので、蛍光体のＬＥＤ光の吸収係数をα（１／ｃｍ）とすると、発熱部分は２／α（１／ｃｍ）程度の幅に限定される。
従って、上記式は、
αλ＞２
なる関係になる。この関係を満たせば、蛍光体が温度上昇による問題なしに使用可能となる。
【００２０】
前記したＬＥＤ基板にサファイアを用いた場合には、基板のサファイアの熱伝導率が小さいためそのままでは高出力化する際に問題となる。この場合はＬＥＤをフリップチップに実装すれば、発熱量をステム側に大量に放散できるため、使用が可能となる。即ち、図１（ｂ）の形態にする手段である。もちろん、前記したＳｉＣ、ＧａＮ及びＡｌＮの基板であっても同様にフリップチップに搭載することができ、発光部による発熱に対して、温度上昇をより軽減できる構造となる。
【００２１】
本発明の第２の発明を図２（ａ），（ｂ）の模式図に示す。図２の（ａ）はＬＥＤ基板の発光部を上にする通常の搭載形態であり、（ｂ）はＬＥＤをフリップチップに搭載する形態である。図２（ａ）では、ステム２１にＬＥＤ基板２２が接続され、その上にＬＥＤ発光部２３が位置する。ＬＥＤの周囲の一部若しくは全部を囲んで放熱体２８，２８′が設置され、そのステム又は電極と接する部分は電気的に絶縁２９，２９′されている。さらにその上方には放熱体２８，２８′に接して蛍光体２４が位置する。ＬＥＤはＬＥＤ発光部２３側に電極が配置されているため、ワイヤ２５，２５´でステム２１上に配置された電極２６，２６´に接続し、更に電極２６，２６′で外部電極に接続する。電極２６，２６´はステム２１とは絶縁２７、２７´により絶縁されている。ステム２１，放熱体２８，２８′、蛍光体２４に囲まれる空間３０は真空にしても良いが、通常透明樹脂を充填する。
【００２２】
また、図２（ｂ）では、ステム３１上にＬＥＤがフリップチップで搭載されている。即ちＬＥＤ発光部３３がＬＥＤの電極と共にステム３１に接続されており、その上にＬＥＤ基板３２が位置する。ＬＥＤの周囲を囲んで放熱体３８，３８′が設置され、そのステム又は電極と接する部分は電気的に絶縁３９，３９′されている。ＬＥＤ基板３２の更に上方には蛍光体１４が放熱体３８，３８′に接して位置する。ＬＥＤの電極はステム３１に配置された電極３６，３６´に直結しているため、ワイヤは不要となる。電極３６，３６´は絶縁３７，３７´によりステム３１とは絶縁されている。ステム３１，放熱体３８，３８′、蛍光体３４に囲まれる空間４０は真空にしても良いが、通常透明樹脂を充填する。
【００２３】
すなわち、図２の構成は、高度の発熱となるＬＥＤと蛍光体を離した状態で用いる構成である。従って、図１のように、蛍光体が発する自己励起光に伴う発熱を、ＬＥＤを介してステム側に放熱することをせず、別に周囲に設けた放熱体を利用して放熱する手段を取っている。このような形状とすることにより、ＬＥＤで発する熱はステムに放熱し、蛍光体で発する熱は放熱体を経てステム等へ放散することが出来る。
ここで、蛍光体を円盤状に見立て、発生する熱量をＷ、円盤の外半径をｒ_２、円盤中心から発熱中心までの半径ｒ_１から外周までの温度差をΔＴ、円盤の厚みをｔ、熱伝導率をλとすると、
ΔＴ＝Ｗ／λ・ｌｎ（ｒ_２／ｒ_１）・１／２πｔ
なる関係が導かれる。また、熱発生が円盤全体から発生する場合、円盤半径の１／２付近に熱が発生すると考えれば良いから、上記式にｒ_２＝２ｒ_１を代入すると、
ΔＴ＝０．１１Ｗ／λｔ
なる式が得られる。
【００２４】
前記蛍光体の発熱を次元解析と数値計算を用いて算出すると、
ΔＴ_３＝０．１Ｗ_２／ｔ_２λ_２
なる関係式が得られる。前述の仮定に近似する式となる。
ここで、ΔＴ_３：蛍光体の中央部の温度上昇分（Ｋ）である。
また、第１の発明で示したように、蛍光体の発熱量Ｗ_２は、ＬＥＤへの投入電力Ｗ_０の約１／１０であることから、前記式は、
ΔＴ_３＝０．０１Ｗ_０／ｔ_２λ_２
と表せる。
前記した本発明の第１の発明と同様に、蛍光体が２０℃以上の温度上昇とならないようにするには、ΔＴ_３＜２０となる必要がある。
従って、Ｗ_０＜２０００ｔ_２λ_２なる関係にあればよい。
【００２５】
また、蛍光体は外部を空気に囲まれていることから、熱伝達による熱放散がある。
この熱放散量は、空気の自然対流伝熱における伝熱係数が０．０３Ｗ／ｃｍ^２Ｋ程度であるので、２０℃の温度上昇時での放熱量Ｗ_ａは、
Ｗ_ａ＝０．０３×２０Ｓ＝０．６Ｓ
ここで、Ｓは蛍光体の空気に触れている側の面積である。ここでＬＥＤの投入電力（Ｗ_０）による蛍光体の発熱量は０．１Ｗ_０であるから、Ｗ_ａ＜０．１Ｗ_０なる状況にしなければならない。即ち、
Ｗ_０＞６Ｓ
ところが、使用時における熱伝達において、上記放熱量は、蛍光体の面が垂直状態時の放熱量であり、実質放熱量はより小さい。そこで、実質放熱量によって放熱されずに蛍光体に残る熱量は、伝熱により放熱体に吸収される。
以上の２つの関係から、
６Ｓ＜２０００ｔ_２λ_２
なる関係が得られる。
λ_２は材料の特性であり、ＳはＬＥＤの大きさで決められるため、ｔ_２で調整する必要がある。そこから、
ｔ_２＞６Ｓ／２０００λ_２
とするのが好ましい。ここでｔ_２は特に上限はないが、蛍光体は板状として使用するため、
√Ｓ＞ｔ_２であればよい。
以上の条件は、蛍光体の一部が放熱体に接している状態で成立する。放熱体は、製造上、ＬＥＤが搭載されるステム上に設置されるが、ＬＥＤを挟んで両側に、若しくはＬＥＤを囲んで４方向に設置するのが好ましい。
【００２６】
このような条件は、放熱材が蛍光体の発熱を十分に放熱する必要がある。従って、放熱材には、蛍光体の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する材料を用いるのがよく、特に高熱電導性を有する，Ｃｕ又はＡｌを主成分とする金属を用いるのが好ましい。
【００２７】
以上の状況は、図２（ａ）に示す模式図における説明であるが、図２（ｂ）に示すＬＥＤをステム上にフリップチップに装着した場合も同じである。ＬＥＤ基板が十分な熱伝導性を有する材料、即ちＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮを用いる場合は、図２（ａ）の構成を用いるのがよい。ＬＥＤ基板に熱伝導性が十分でない材料、即ちサファイアを用いる場合は、図２（ｂ）の構成を用いる必要がある。ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮの場合は、フリップチップにした方が放熱が良いが、通常の搭載方法でも十分に放熱できる。
なお、本発明の第１の発明及び第２の発明に用いる蛍光体には、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅが好ましく用いられる。これらを併せてＺｎＳ_ｘＳｅ_１−ｘ（０≦ｘ≦１）と記載する。そのほかには、ＺｎＣｄＳを用いることも出来る。
また、上記蛍光体には、自己励起光の核となる原子を含ませるのが良く、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのいずれか１種以上の原子を含ませる。これらの原子の種類と量により、自己励起光の波長が調整でき、赤乃至黄色の自己励起光を発することが出来る。好ましくはその量を１×１０^１７個／ｃｍ^３以上含ませるのが良い。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）ヨウ素輸送法によって成長させたのち、Ｚｎ雰囲気中で１０００℃の熱処理をしたＺｎＳＳｅ結晶（ＺｎＳ組成０．５）を切り出し、両面をミラー研磨して厚み２００μｍの板とした。このＺｎＳＳｅ蛍光体の特性を調べたところ、波長４４０ｎｍ光に対する吸収係数αは１００／ｃｍであり、熱伝導率λは０．１５Ｗ／ｃｍＫであった。従ってαλ＝１５（Ｗ／Ｋ）である。この板から３００μｍ角に蛍光体を切りだした。
別に、ＧａＮ基板とサファイア基板を用いた表面にＩｎＧａＮ活性層を持つ発光波長４４０ｎｍの４００μｍ角の青色ＬＥＤチップを準備した。
【００２９】
上記ＬＥＤと蛍光体を用いて白色発光素子を作製した。その構成を図３に示す。Ａｌ製ステム５１にあらかじめ絶縁５７，５７′をした電極５６，５６′を配置しておき、該電極間のステム上にＡｇペーストでＬＥＤチップをＬＥＤ基板５２を下にＬＥＤ発光部５３を上にして貼り付けた。その上にＺｎＳＳｅ蛍光体５４を、透明樹脂を用いて接続した。Ａｕ製ワイヤ５５，５５′を用いてＬＥＤチップ上の電極とＡｌ製ステム５１上の電極５６，５６′を接続した後、ＬＥＤチップと蛍光体の周囲をＡｌ製放熱体５８，５８′で囲み、ステム５１，電極５６，５６′に接する部分は、絶縁５９，５９′した。こうして出来た囲いの内部をＳｉＣ粉末からなる拡散材を含むエポキシ系透明樹脂６０を用いたポッティングにより充填した。この素子は、ＧａＮ基板と、サファイア基板について作製すると同時に、サファイア基板についてはＬＥＤをフリップチップに貼り付けたものも用意した。
【００３０】
以上３種類の白色発光素子の特性を測定するため、外部電極と接続して通電して発光させた。ＬＥＤの上方で発光波長分布を採取し、色度座標ｘを算出した。ＬＥＤに投入する電力を変え、得られた電力密度と色度座標ｘの関係を図５に示す。この図から、サファイヤ基板のＬＥＤは、投入電力密度が２００Ｗ／ｃｍ^２を越えると、色度座標ｘが変化し始めるが、ＧａＮ基板を用いたＬＥＤでは色度座標ｘの変化は見られない。測定は電力密度が３５０Ｗ／ｃｍ^２までであるが、本発明になる白色発光素子は少なくともサファイアを用いたＬＥＤ基板の倍程度の投入電力密度に対して問題なく使用できる。
【００３１】
なお、図５には記載していないが、サファイア基板を用いたＬＥＤをフリップチップに貼り付けた白色発光素子についても測定したが、図５のＧａＮ基板ＬＥＤを用いた場合とほぼ同様のデータを得ている。
実施例１では、ＬＥＤ周囲を放熱材で囲っているが、特に使用してもしなくても、本発明は成立する。
【００３２】
（実施例２）実施例１で用いたＺｎＳＳｅ（ＺｎＳ組成０．５）を切り出し、両面をミラー研磨して厚み２００μｍの板とした。これを３ｍｍ角に切り出し、蛍光体とした。
別に、ＧａＮ基板とサファイア基板を用いた表面にＩｎＧａＮ活性層を持つ発光波長４５０ｎｍの１ｍｍ角の青色ＬＥＤチップを準備した。
【００３３】
上記ＬＥＤチップと蛍光体を用いて白色発光素子を作製した。その構成を図４に示す。
Ａｌ製ステム６１にあらかじめ絶縁６７，６７′を介して電極６６，６６′を配置しておき、この中間に前記ＬＥＤチップをＬＥＤ基板６２を下に発光部６３を上にしてＡｇペーストを用いて搭載した。その後、Ａｕ製ワイヤ６５，６５′を用いてＬＥＤの電極とステム上の電極６６，６６′を接続した。このＬＥＤを囲んでＡｌ製の放熱体６８，６８′をステム側に絶縁６９，６９′して設置した。放熱体６８，６８′で囲まれた内部をエポキシ系透明樹脂７０をポッティングして充填し、その上に蛍光体６４を放熱体６８，６８′に接触させて置き、前記透明樹脂７０で固定した。
【００３４】
上記の白色発光素子をサファイア基板のものとＧａＮ基板のもので作製した。蛍光体の熱伝導率λは実施例１と同じ０．１５Ｗ／ｃｍＫであり、Ｓ＝０．０９ｃｍ^２であるから、ｔ＞６／２０００・Ｓ／λ＝０．００１８ｃｍ＝１８μｍである。
この白色発光素子に通電し、ＬＥＤの上方で発光波長分布を採取し、色度座標ｘを算出した。負荷する投入電力を種々変えた結果、図６に示す結果を得た。サファイア基板を使用したＬＥＤは、投入電力２Ｗまでは色度座標ｘに変化は見られないが、２Ｗを越えると色度座標ｘに変化が見られた。これに対し、本発明になるＧａＮ基板を用いたＬＥＤでは投入電力５Ｗまで色度座標ｘに変化は見えなかった。この結果から本発明になる白色発光素子は、大きな投入電力に置いても使用が可能であり、高出力の白色発光素子として使用が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により、白色発光素子を用いる信号用ＬＥＤのみでなく、一般照明用のＬＥＤとして使用可能な、高入力にも耐え、そこから発生する高出力の白色発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の発明の構成説明図である。（ａ）はＬＥＤを通常搭載した場合、（ｂ）はＬＥＤをフリップチップに搭載した場合である。
【図２】本発明における第２の発明の構成説明図である。（ａ）はＬＥＤを通常搭載した場合、（ｂ）はＬＥＤをフリップチップに搭載した場合である。
【図３】本発明における第１の発明を、実施例として示す一例である。
【図４】本発明における第２の発明を、実施例として示す一例である。
【図５】本発明の第１の発明を用いた白色発光素子の、投入電力密度と色度座標の関係を示す。
【図６】本発明の第２の発明を用いた白色発光素子の、投入電力密度と色度座標の関係を示す。
【図７】従来技術における白色発光素子の第１の例である。
【図８】従来技術における白色発光素子の第２の例である。
【図９】従来技術における白色発光素子の第３の例である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，５１，６１．ステム、
２，１２，２２，３２，５２，６２．ＬＥＤ基板、
３，１３，２３，３３，５３，６３．ＬＥＤ発光部、
４，１４，２４，３４，５４，６４．蛍光体、
５，５′，２５，２５′，５５，５５′，６５，６５′．ワイヤ、
６，６′，１６，１６′，２６，２６′，３６，３６′，５６，５６′，６６，６６′．電極、
７，７′，１７，１７′，２７，２７′，２９，２９′，３７，３７′，３９，３９′，５７，５７′，５９，５９′，６７，６７′，６９，６９′．絶縁、
２８，２８′，３８，３８′，５８，５８′，６８，６８′．放熱体、
３０，４０．空間又は透明樹脂、
６０，７０．透明樹脂、
１０１，１１１，１２１．透明樹脂、
１０２，１０３，１１２，１１３，１２２，１２３．リード、
１０４．くぼみ、
１０５，１０６，１１４，１２４．ワイヤ、
１２５．窓材、
１０７，１２６．ＬＥＤチップ、
１０８，１１５．ＬＥＤ発光部、
１０９，１１６．ＬＥＤ基板、
１１０．ＹＡＧ蛍光体、
１２７．ステム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a white light-emitting element that can be used for illumination, display, a liquid crystal backlight, and the like.
[0002]
[Prior art]
Various light emitting diodes that emit white light have been devised in recent years. White light can also be achieved by combining light emitting diodes having the three primary colors of red, green, and blue, but a diode that can emit white light with a single diode is desired to be inexpensive and save space. In particular, a diode that emits white light having such a large luminous intensity that is used for illumination instead of a light bulb or a fluorescent lamp is required.
[0003]
On the other hand, recently, by surrounding the periphery of an InGaN-based blue LED as shown in FIGS. 7A and 7B with a transparent resin layer in which a powdery YAG phosphor is dispersed, A technique is disclosed in which part of the emitted blue light is converted into yellow light, and the blue light from the LED and the yellow light from the YAG phosphor are combined to produce white light (see Non-Patent Document 1). In this technique, as shown in FIG. 7A, a lead 102 and an electrode-only lead 103 are fixed while being molded with a transparent resin 101, and an LED chip 107 is formed at the tip of the lead 102. It is mounted in the indentation 104. In the LED chip 107, a wire 105 and a wire 106 are connected to the lead 102 and the lead 103, respectively. The depression 104 is filled with a YAG phosphor 110 so as to cover the LED chip 107.
FIG. 7B is an enlarged view of the vicinity of the LED chip 107. An LED is installed in the recess 104 of the lead 102, and the LED substrate 109 is positioned below and the LED light emitting unit 108 is positioned above. The LED is filled with a YAG phosphor 110 dispersed in a transparent resin filled in the depression 104. The blue light B emitted upward from the LED light emitting unit 108 is partially absorbed by the YAG phosphor 110 and emits yellow light Y. A part of the blue light B passes through the YAG phosphor 110 as it is, so that it overlaps with the yellow light Y and emits white light.
[0004]
Further, there is another technique shown in FIGS. 8A and 8B (see Patent Document 1). In FIG. 8A, there are a lead 112 for mounting an LED molded with a transparent resin 111 and a lead 113 having only an electrode. The LED mounted on the lead 112 includes a ZnSe LED substrate 116 and a ZnCdSe LED light emitting unit 115. Since this LED is conductive, one end of the electrode directly uses the lead 112 and the other end is connected to the lead 113 by a wire 114. The principle of white light emission will be described with reference to an enlarged view of the LED portion in FIG. The LED mounted on the lead 112 includes a ZnSe LED substrate 116 and a ZnCdSe LED light emitting unit 115 disposed thereon. The blue light B emitted from the LED light emitting unit 115 is directly directed to the transparent resin 111 (not shown) and the blue light B that is directed to the LED substrate 116. The blue light B incident on the LED substrate 116 is in ZnSe. Absorbs and emits self-excitation light. This self-excitation light becomes yellow light Y to orange, passes through the ZnCdSe LED light-emitting portion 115, and goes to the transparent resin 111. That is, when viewed from the outside, the blue light B and the yellow light Y overlap and appear as white light.
[0005]
Further, FIG. 9 discloses a technique having another structure (see Patent Document 2). In this technique, a transparent resin 121 covers a lead 122 on which an LED chip 126 fixed to a stem 127 is mounted and a lead 123 having only an electrode. In the transparent resin 121, an LED chip 126 and a wire 124 are embedded together with leads. A window member 125 is provided on the transparent resin 121, and the window member is made of ZnSe. The LED chip 126 has an InGaN-based light emitting unit and emits blue light. This light passes through the window member 125 and exits to the outside, and part of the light is absorbed in the window member 125 and becomes yellow light or orange light to emit self-excitation light. From the outside, the blue light that has passed through the window material 125 overlaps with the self-excitation light of yellow light or orange light in the window material 125 and appears as white light.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-82845 A, (0019-0020, FIG. 3b)
[Patent Document 2]
JP 2000-261634 A, (0030-0031, FIG. 1)
[Non-Patent Document 1]
"Optical Functional Materials Manual", Optical Functional Materials Manual Editorial Board, Optoelectronics, p457, June 1997
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, LEDs that emit white light already exist as the prior art. These white light-emitting elements can be used without any particular problems when used at low output such as signals. However, in the use of high output as a substitute for illumination, further ingenuity is required. For example, the transparency of a YAG phosphor is lowered by heat generated by high output. In the case of a ZnSe substrate, the blue light emitting layer tends to deteriorate. In the case of a ZnSe window material, the heat generated by the window material cannot be dissipated. Due to these problems, it is impossible to directly make the above technology a high-power LED, and further improvement is required.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a light emitting device comprising a phosphor and a light emitting diode (LED), wherein the phosphor has a thermal conductivity λ (W / cmK) and an absorption coefficient for light from the LED. The relationship with α (1 / cm) is selected from materials having λα> 2, and the substrate constituting the LED is selected from SiC, GaN, and AlN, and the LED and the phosphor are in contact with each other. Or a substrate used for the LED is one of SiC, GaN, AlN, and sapphire, and the phosphor is disposed in contact with the LED substrate side. It is an element. With such a configuration, the input power density loaded on the LED chip is 200 W / cm.²The above can be used. Here, the phrase “contacting” means that they are adhered using an adhesive or the like.
In particular, an InGaN-based LED may be used for the LED used.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a light emitting device that is a combination of a phosphor and a light emitting diode (LED) installed on a stem, and the LED on the stem dissipates part or all of the surroundings. It is a white light emitting element characterized in that a phosphor is placed in contact with the heat dissipator on the upper part thereof.
In particular, the thickness t (cm) of the phosphor used determines the area of the phosphor as S (cm²), When the thermal conductivity is represented by λ (W / cmK),
√S> t> 6S / 2000λ
If it is in the range, it is preferable. Although there is no problem with a normal low output, the heat radiation effect is remarkable by setting the thickness of the phosphor within the above range.
Further, the substrate constituting the LED is selected from any one of SiC, GaN, and AlN, or the substrate used for the LED is any one of SiC, GaN, AlN, and sapphire, and the LED is mounted in a flip chip type. It is preferable to adopt a configuration that takes heat dissipation into consideration.
[0010]
In the above two inventions, it is preferable that the main component of the radiator is Al or Cu, since the thermal conductivity can be increased, and the heat dissipation is good. The phosphor used is ZnS._xSe_1-xWhen it is formed by (0 ≦ x ≦ 1), it is preferable as a phosphor that forms white light. 1 × 10 of any one of Al, Ga, In, Cl, Br, and I is contained in the phosphor.¹⁷Piece / cm³It is preferable to include the above.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first aspect of the present invention will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. FIG. 1A shows a normal mounting configuration in which the light-emitting portion of the LED substrate faces up, and FIG. 1B shows a configuration in which the LED is mounted on a flip chip. In FIG. 1A, the LED substrate 2 is connected to the stem 1, and the LED light emitting unit 3 is positioned thereon. Furthermore, the phosphor 4 is mounted thereon. Since the electrodes are arranged on the LED light emitting part side, the LEDs are connected to the external electrodes by the

electrodes

6 and 6 ′ arranged on the stem by the

wires

5 and 5 ′. The electrodes 6 and 6 'are insulated from the stem 1 by insulation 7 and 7'. Moreover, in FIG.1 (b), LED is mounted on the stem 11 by the flip chip. That is, the LED light emitting unit 13 is in contact with the stem 11 together with the electrode of the LED, and the LED substrate 12 is positioned thereon. The phosphor 14 is in contact with the LED substrate 12 further above. Since the electrodes of the LED are directly connected to the

electrodes

16 and 16 ′ arranged on the stem 11, no wires are necessary. The electrodes 16 and 16 'are insulated from the stem 11 by insulation 17 and 17'. With the above structure, the material characteristics of the

phosphors

4 and 14 are λα> 2 when the thermal conductivity is λ (W / cmK) and the light absorption coefficient of the LED is α (1 / cm). Is to satisfy. In the case of FIG. 1A, the material used for the LED substrate 2 is SiC, GaN, or AlN. In the case of FIG. 1B, the material used for the LED substrate 12 is SiC, GaN, AlN, or sapphire. In the point.
[0012]
The reason for adopting such a structure is the discharge of generated heat. That is, the transparent resin surrounding the LED has low thermal conductivity, and even if the phosphor mixed therein emits light and generates heat at the same time, heat conduction by the surrounding transparent resin cannot be expected. However, if the phosphors having higher thermal conductivity than the transparent resin are concentrated, the temperature rise of the transparent resin can be prevented. Further, if the heat generated there is in contact with a material with good heat dissipation other than the transparent resin, the temperature rise of the phosphor itself can be prevented.
From the above contents, the configuration of FIG. 1 is established. This will be described below with a simplified calculation.
[0013]
Assume a white light-emitting element manufactured with the configuration of FIG. here,
w₁: LED heat generation density (W / cm²)
w₂: Heat generation density of phosphor (W / cm²)
T₀: LED bottom surface temperature (K)
T₁: LED top surface temperature (K)
T₂: Temperature of the phosphor upper surface (K)
G₁: Temperature gradient in the LED substrate (K / cm)
G₂: Temperature gradient in phosphor (K / cm)
λ₁: Thermal conductivity of LED substrate (W / cmK)
λ₂: Thermal conductivity of phosphor (W / cmK)
t₁: LED substrate thickness (cm)
t₂: Thickness of phosphor (cm)
Then, the heat flow balance in the steady state is expressed by an equation:
w₁+ W₂= Λ₁G₁, W₂= Λ₂G₂
T₁= T₀+ T₁G₁, T₂= T₁+ T₂G₂
It is indicated. Here, it is assumed that the heat generation of the LED and the phosphor occurs on the respective surfaces, but the temperature rise tends to be excessive, and there is no safety problem.
[0014]
The above formula is arranged, and the input power density to the LED is w₀(W / cm²) Is replaced with the following formula:
ΔT₁= T₁-T₀= T₁(W₁+ W₂) / Λ₁= ((A₁+ A₂) T₁/ Λ₁) W₀
ΔT₂= T₂-T₀= T₁(W₁+ W₂) / Λ₁+ T₂w₂/ Λ₂= ((A₁+ A₂) T₁/ Λ₁+ A₂t₂/ Λ₂) W₀
Where w₁= A₁w₀, W₂= A₂w₀ And a₁, A₂Are the heating rate of the LED and the heating rate of the phosphor.
[0015]
A specific temperature rise is estimated using the above formula as follows.
In FIG. 1A, a case where sapphire is used for the LED substrate 2, InGaN is used for the LED light emitting portion 3, and ZnSSe (ZnS composition 0.5) is used for the phosphor 4 is taken as an example.
The specific figures are
λ₁(Sapphire): 0.3 W / cmK, λ₂(ZnSSe): 0.15 W / cmK
t₁(LED thickness): 0.04 cm, t₂(Phosphor thickness): 0.01 cm
a₁: 0.7, a₂: 0.1
It was. a₁Since the external quantum efficiency of InGaN is about 30%, the remainder is used for heat generation. a₂The numerical value was determined on the assumption that 10% of the light from InGaN passes through the phosphor and 20% enters the phosphor and 10% is used for heat generation in the phosphor.
[0016]
When the above numerical values are applied to the above formula, calculation is as shown in Table 1. Here, the input power density is 200 W / cm.²If the temperature exceeds the range, the phosphor is subjected to a temperature increase of 20 ° C. or more by the LED, which is not preferable.
Further, most of this temperature difference is caused by the LED chip, but since the thermal conductivity of the LED is not large, the effect of using the phosphor having a large thermal conductivity cannot be sufficiently exhibited. Therefore, it is understood that it is good to use a material having a high thermal conductivity for the LED substrate.
As the LED substrate, an InGaN-based LED can be formed, and it is necessary to have high thermal conductivity and be transparent to LED light emission. SiC, GaN, and AlN apply to this condition.
Table 2 shows the result of the simulation calculation of the above formula using these materials. In Table 2, input power density w₀200W / cm²It is.
[0017]
[Table 1]

[0018]
[Table 2]

[0019]
According to Table 2, in the three kinds of substrate materials, the temperature difference in the LED (ΔT₁) And the temperature difference in the phosphor (ΔT₂-ΔT₁) Does not have a large difference, and can be used even when a large input power density is loaded. As described above, the temperature gradient can be suppressed by using a material having a high thermal conductivity of the LED substrate. As described above, the temperature difference in the phosphor is suppressed as follows.
Even in the case of a phosphor, there is no problem if a material having a high thermal conductivity is obtained. However, the purpose of the phosphor is to absorb monochromatic light from the LED once and emit self-excited light as light having a long wavelength, and since it is necessary to partially pass the monochromatic light, it is transparent to the monochromatic light. There must be. Under such conditions, the material is selected, and the physical properties of the material are limited. Therefore, the present inventors have found out conditions for using phosphor materials effectively. That is, from the relationship of the equations used above, a₂t₂/ Λ₂This can be solved by reducing.
That is,
a₂t₂/ Λ₂<(A₁+ A₂) T₁/ Λ₁
If you put the numerical value used in the above calculation into the above formula,
t₂/ Λ₂<1
It is sufficient to use the following conditions. That is, the thickness (cm) of the phosphor is set to a value smaller than the thermal conductivity (W / cmK) of the phosphor. Substantially, the heat absorption from the LED emission is almost absorbed near the surface of the phosphor, so if the absorption coefficient of the LED light of the phosphor is α (1 / cm), the heat generation part is 2 / α ( The width is limited to about 1 / cm).
Therefore, the above formula is
αλ> 2
It becomes a relationship. If this relationship is satisfied, the phosphor can be used without any problem due to temperature rise.
[0020]
When sapphire is used for the LED substrate described above, since the thermal conductivity of sapphire of the substrate is small, it becomes a problem when the output is increased as it is. In this case, if the LED is mounted on the flip chip, the heat generation amount can be dissipated in a large amount to the stem side, so that it can be used. That is, it is means for making the configuration of FIG. Of course, the SiC, GaN, and AlN substrates described above can be similarly mounted on a flip chip, and the temperature rise can be further reduced with respect to heat generated by the light emitting portion.
[0021]
The second invention of the present invention is shown in the schematic diagrams of FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG. 2A shows a normal mounting configuration in which the light emitting portion of the LED substrate is facing up, and FIG. 2B shows a configuration in which the LED is mounted on a flip chip. In FIG. 2A, the LED substrate 22 is connected to the stem 21, and the LED light emitting unit 23 is positioned thereon. The radiators 28 and 28 'are installed so as to surround part or all of the periphery of the LED, and the portions in contact with the stems or electrodes are electrically insulated 29 and 29'. Further above, the phosphor 24 is positioned in contact with the radiators 28 and 28 '. Since the LED is arranged on the LED light emitting unit 23 side, the LED is connected to the electrodes 26 and 26 'arranged on the stem 21 by wires 25 and 25', and further connected to an external electrode by the electrodes 26 and 26 '. . The

electrodes

26 and 26 ′ are insulated from the stem 21 by

insulation

27 and 27 ′. The space 30 surrounded by the stem 21, the radiators 28 and 28 ', and the phosphor 24 may be evacuated, but is usually filled with a transparent resin.
[0022]
In FIG. 2B, the LED is mounted on the stem 31 by flip chip. That is, the LED light emitting unit 33 is connected to the stem 31 together with the electrode of the LED, and the LED substrate 32 is positioned thereon. The radiators 38 and 38 'are installed so as to surround the LED, and the portions that contact the stems or electrodes are electrically insulated 39 and 39'. Above the LED substrate 32, the phosphor 14 is positioned in contact with the heat radiating bodies 38, 38 '. Since the electrodes of the LED are directly connected to the

electrodes

36 and 36 ′ arranged on the stem 31, no wires are necessary. The

electrodes

36 and 36 ′ are insulated from the stem 31 by

insulation

37 and 37 ′. A space 40 surrounded by the stem 31, the radiators 38 and 38 ', and the phosphor 34 may be evacuated, but is usually filled with a transparent resin.
[0023]
That is, the configuration of FIG. 2 is a configuration used in a state where the LED that generates high heat and the phosphor are separated from each other. Therefore, as shown in FIG. 1, the heat generated by the self-excitation light emitted from the phosphor is not dissipated to the stem side via the LED, but a means for dissipating heat using a separate heat dissipator is provided. ing. By adopting such a shape, heat generated by the LED can be dissipated to the stem, and heat generated by the phosphor can be dissipated to the stem or the like via the heat dissipator.
Here, the phosphor is regarded as a disk, the amount of heat generated is W, and the outer radius of the disk is r.₂, Radius r from disk center to heat generation center₁And ΔT, the thickness of the disk t, and the thermal conductivity λ,
ΔT = W / λ · ln (r₂/ R₁) ・ 1 / 2πt
The following relationship is derived. In addition, when heat is generated from the entire disk, it can be considered that heat is generated in the vicinity of ½ of the disk radius.₂= 2r₁Substituting
ΔT = 0.11W / λt
The following formula is obtained.
[0024]
When calculating the heat generation of the phosphor using dimensional analysis and numerical calculation,
ΔT₃= 0.1W₂/ T₂λ₂
The following relational expression is obtained. The equation approximates the above assumption.
Where ΔT₃: Temperature rise (K) at the center of the phosphor.
Further, as shown in the first invention, the calorific value W of the phosphor₂Is the input power W to the LED₀Is about 1/10 of that
ΔT₃= 0.01W₀/ T₂λ₂
It can be expressed.
As in the first aspect of the present invention described above, in order to prevent the phosphor from increasing in temperature by 20 ° C. or more, ΔT₃<20.
Therefore, W₀<2000t₂λ₂It only has to be a relationship.
[0025]
In addition, since the phosphor is surrounded by air, there is heat dissipation due to heat transfer.
This heat dissipation amount is 0.03 W / cm in the heat transfer coefficient in natural convection heat transfer of air.²Since it is about K, the heat dissipation W when the temperature rises to 20 ° C_aIs
W_a= 0.03 x 20S = 0.6S
Here, S is the area of the phosphor that is in contact with the air. Here, the input power (W₀) Is 0.1W₀So W_a<0.1W₀Must be in a situation. That is,
W₀> 6S
However, in heat transfer during use, the heat dissipation amount is the heat dissipation amount when the surface of the phosphor is vertical, and the actual heat dissipation amount is smaller. Therefore, the amount of heat remaining in the phosphor without being dissipated by the substantial amount of heat dissipated is absorbed by the heat dissipator by heat transfer.
From the above two relationships,
6S <2000t₂λ₂
The following relationship is obtained.
λ₂Is a property of the material and S is determined by the size of the LED, so t₂It is necessary to adjust with. From there,
t₂> 6S / 2000λ₂
Is preferable. Where t₂There is no particular upper limit, but the phosphor is used as a plate,
√S> t₂If it is.
The above conditions are satisfied when a part of the phosphor is in contact with the heat radiating body. The radiator is installed on a stem on which the LED is mounted for manufacturing, but is preferably installed on both sides of the LED or in four directions surrounding the LED.
[0026]
Such conditions require that the heat dissipation material sufficiently dissipate the heat generated by the phosphor. Therefore, it is preferable to use a material having a thermal conductivity larger than that of the phosphor as the heat dissipation material, and it is particularly preferable to use a metal having Cu or Al as a main component and having a high thermal conductivity.
[0027]
The above situation is the description in the schematic diagram shown in FIG. 2A, but the same is true when the LED shown in FIG. 2B is mounted on the flip chip on the stem. When the LED substrate uses a material having sufficient thermal conductivity, that is, SiC, GaN, or AlN, the configuration shown in FIG. When a material having insufficient thermal conductivity, that is, sapphire is used for the LED substrate, it is necessary to use the configuration of FIG. In the case of SiC, GaN, and AlN, heat dissipation is better when flip-chip is used, but sufficient heat dissipation can be achieved by a normal mounting method.
In addition, ZnSSe, ZnS, and ZnSe are preferably used for the phosphor used in the first and second inventions of the present invention. Together these ZnS_xSe_1-x(0 ≦ x ≦ 1). In addition, ZnCdS can also be used.
In addition, the phosphor preferably contains an atom serving as a nucleus of self-excitation light, and contains at least one atom of Al, Ga, In, Cl, Br, and I. Depending on the type and amount of these atoms, the wavelength of the self-excitation light can be adjusted, and red to yellow self-excitation light can be emitted. Preferably the amount is 1 × 10¹⁷Piece / cm³It is good to include above.
[0028]
【Example】
Examples are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
(Example 1) After growing by the iodine transport method, a ZnSSe crystal (ZnS composition 0.5) which was heat-treated at 1000 ° C in a Zn atmosphere was cut out, and both surfaces were mirror-polished to form a plate having a thickness of 200 µm. When the characteristics of the ZnSSe phosphor were examined, the absorption coefficient α for light having a wavelength of 440 nm was 100 / cm, and the thermal conductivity λ was 0.15 W / cmK. Therefore, αλ = 15 (W / K). A phosphor was cut out from this plate into a 300 μm square.
Separately, a 400 μm square blue LED chip with an emission wavelength of 440 nm having an InGaN active layer on the surface using a GaN substrate and a sapphire substrate was prepared.
[0029]
A white light emitting device was fabricated using the LED and the phosphor. The configuration is shown in FIG. Electrodes 56 and 56 'previously insulated 57 and 57' are arranged on the Al stem 51, and the LED chip is placed on the stem between the electrodes with Ag paste with the LED substrate 52 facing down and the LED light emitting portion 53 facing up. And pasted. A ZnSSe phosphor 54 was connected thereon using a transparent resin. After the electrodes on the LED chip and the electrodes 56, 56 'on the Al stem 51 are connected using Au wires 55, 55', the periphery of the LED chip and the phosphor is surrounded by Al radiators 58, 58 '. The portions in contact with the stem 51 and the electrodes 56 and 56 'are insulated 59 and 59'. The inside of the enclosure thus formed was filled by potting using an epoxy transparent resin 60 containing a diffusing material made of SiC powder. This device was prepared for a GaN substrate and a sapphire substrate, and at the same time, a sapphire substrate in which an LED was attached to a flip chip was also prepared.
[0030]
In order to measure the characteristics of the above three types of white light emitting elements, they were connected to external electrodes and energized to emit light. The emission wavelength distribution was sampled above the LED, and the chromaticity coordinate x was calculated. FIG. 5 shows the relationship between the power density obtained and the chromaticity coordinate x obtained by changing the power supplied to the LED. From this figure, the sapphire substrate LED has an input power density of 200 W / cm.²The chromaticity coordinate x begins to change beyond the range, but no change in the chromaticity coordinate x is observed in an LED using a GaN substrate. The power density is 350 W / cm²However, the white light emitting device according to the present invention can be used without any problem with respect to the input power density at least twice that of the LED substrate using sapphire.
[0031]
Although not shown in FIG. 5, a white light emitting element in which an LED using a sapphire substrate is attached to a flip chip was also measured, but data similar to the case of using the GaN substrate LED in FIG. It has gained.
In Example 1, the LED is surrounded by a heat radiating material. However, the present invention is established whether or not it is used.
[0032]
(Example 2) ZnSSe (ZnS composition 0.5) used in Example 1 was cut out, and both surfaces were mirror-polished to form a plate having a thickness of 200 µm. This was cut into 3 mm squares to obtain phosphors.
Separately, a 1 mm square blue LED chip with an emission wavelength of 450 nm having an InGaN active layer on the surface using a GaN substrate and a sapphire substrate was prepared.
[0033]
A white light emitting device was fabricated using the LED chip and the phosphor. The configuration is shown in FIG.
Electrodes 66 and 66 'are arranged in advance on an Al stem 61 via insulations 67 and 67', and the LED chip is placed between them using an Ag paste with the LED substrate 62 facing down and the light emitting part 63 facing up. equipped. Thereafter, the electrodes of the LED and the electrodes 66 and 66 'on the stem were connected using Au wires 65 and 65'. Surrounding this LED, heat sinks 68 and 68 'made of Al were installed with insulation 69 and 69' on the stem side. The interior surrounded by the

heat radiators

68 and 68 ′ is filled with an epoxy transparent resin 70, and the phosphor 64 is placed in contact with the

heat radiators

68 and 68 ′ and fixed with the transparent resin 70. .
[0034]
The white light emitting device described above was fabricated using a sapphire substrate and a GaN substrate. The thermal conductivity λ of the phosphor is 0.15 W / cmK, which is the same as in Example 1, and S = 0.09 cm.²Therefore, t> 6/2000 · S / λ = 0.018 cm = 18 μm.
The white light emitting element was energized, the emission wavelength distribution was collected above the LED, and the chromaticity coordinate x was calculated. As a result of variously changing the input power to be loaded, the result shown in FIG. 6 was obtained. In the LED using the sapphire substrate, no change was observed in the chromaticity coordinate x until input power of 2 W, but a change in chromaticity coordinate x was observed after exceeding 2 W. On the other hand, in the LED using the GaN substrate according to the present invention, no change was seen in the chromaticity coordinate x up to an input power of 5 W. From this result, the white light-emitting element according to the present invention can be used even at a large input power, and can be used as a high-output white light-emitting element.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a high-power white light-emitting element that can be used not only as a signal LED using a white light-emitting element but also as an LED for general illumination and that can withstand high input and is generated therefrom.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration according to a first aspect of the present invention. (A) is a case where an LED is normally mounted, and (b) is a case where an LED is mounted on a flip chip.
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a second invention in the present invention. (A) is a case where an LED is normally mounted, and (b) is a case where an LED is mounted on a flip chip.
FIG. 3 is an example showing the first invention in the present invention as an embodiment;
FIG. 4 is an example showing the second aspect of the present invention as an embodiment.
FIG. 5 shows the relationship between input power density and chromaticity coordinates of a white light emitting device using the first invention of the present invention.
FIG. 6 shows the relationship between input power density and chromaticity coordinates of a white light emitting device using the second invention of the present invention.
FIG. 7 is a first example of a white light emitting element in the prior art.
FIG. 8 is a second example of a white light emitting element in the prior art.
FIG. 9 is a third example of a white light emitting element in the prior art.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 31, 51, 61. Stem,
2, 12, 22, 32, 52, 62. LED board,
3, 13, 23, 33, 53, 63. LED light emitting part,
4, 14, 24, 34, 54, 64. Phosphor,
5, 5 ', 25, 25', 55, 55 ', 65, 65'. Wire,
6, 6 ', 16, 16', 26, 26 ', 36, 36', 56, 56 ', 66, 66'. electrode,
7, 7 ', 17, 17', 27, 27 ', 29, 29', 37, 37 ', 39, 39', 57, 57 ', 59, 59', 67, 67 ', 69, 69'. Insulation,
28, 28 ', 38, 38', 58, 58 ', 68, 68'. Radiator,
30, 40. Space or transparent resin,
60, 70. Transparent resin,
101, 111, 121. Transparent resin,
102, 103, 112, 113, 122, 123. Lead,
104. Hollow,
105, 106, 114, 124. Wire,
125. Window material,
107,126. LED chip,
108,115. LED light emitting part,
109,116. LED board,
110. YAG phosphor,
127. Stem

Claims

A light emitting device comprising a combination of a phosphor and a light emitting diode (LED), wherein the phosphor has a relationship between a thermal conductivity λ (W / cmK) and an absorption coefficient α (1 / cm) for light from the LED. Is selected from materials satisfying λα> 2, and the substrate constituting the LED is selected from SiC, GaN and AlN, and the LED and the phosphor are disposed in contact with each other, or A white light-emitting element, wherein a substrate used for an LED is one of SiC, GaN, AlN, and sapphire, and the phosphor is disposed in contact with the substrate of the LED.

The white light emitting element according to claim 1, wherein a light emitter used for the LED is an InGaN-based material.

A light-emitting element that is a combination of a phosphor and a light-emitting diode (LED) installed on a stem, and the LED on the stem is surrounded by a part or all of its periphery with a heat radiator, A white light-emitting element characterized by having a structure in which a phosphor is placed in contact with the heat dissipator above.

When the thickness t (cm) of the phosphor is represented by S (cm ² ) as the phosphor area and λ (W / cmK) as the thermal conductivity,
√S>t> 6S / 2000λ
The white light-emitting element according to claim 3, which is in the range of

The substrate constituting the LED is selected from SiC, GaN, and AlN, or the substrate used for the LED is sapphire, and the LED is mounted on a flip chip. White light emitting element.

The white light emitting element according to claim 3, wherein a main component of the radiator is Al or Cu.

The white light emitting element according to any one of claims 1 to 6, wherein the phosphor is formed of ZnS _x Se _1-x (0 ≦ x ≦ 1).

The white light emitting element according to claim 7, wherein the phosphor includes 1 × 10 ¹⁷ pieces / cm ³ or more of any one of Al, Ga, In, Cl, Br, and I.