JP2006005336A

JP2006005336A - 発光ダイオードおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2006005336A
Application number: JP2005140536A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tamamura; 英雄玉村
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】色ムラが少なく、かつ安価な発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第1次の発光源であるLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードにおいて、第1次の発光源であるLEDの光取り出し面に、主として蛍光材料からなる薄膜をつけることにより波長変換して第2次の発光波長を発光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、LEDディスプレー、バックライト光源、信号機、および各種インジケーターなどに利用される発光ダイオードに関係し、特に第1次の発光源であるLEDが発生する光の波長を変換して、第2次の発光波長を発光するフォトルミネッセンス蛍光体を備えた発光ダイオードに関する。

LED（発光ダイオード）は小型、省電力消費、長寿命などの特性より、種々の幅広い用途に使用されている。
これは第1次の発光源であるLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長にすることにより、任意の色調の発光ダイオードを得る事ができるからである。
つまり第1次の発光源であるLEDの発光波長は１種類でも、1種類、又は数種類の蛍光材料により、数種類の波長を持った第2次の光に変換することにより、任意の色調の光を得ることができ、従って安価で安定した発光が得られ、これを利用して上記のような幅広い用途に使用されている。

この発光ダイオードの蛍光体のマウント方法の代表例は、例えば特許文献１に記載されている。この発明によれば、発光チップの発光をカップの底面においた発光素子全体を樹脂で封止する発光ダイオードで、前記樹脂はカップ内部を充填する第1の樹脂と、第1の樹脂を包囲する第2の樹脂よりなり、第1の樹脂には波長変換する蛍光物質、または1部吸収するフイルター物質が含有されていることを特徴とすると記されている。
しかし、一般的に常温で液状で熱硬化する透光性樹脂に蛍光体を混合し波長変換する方法は、下記のような問題がある。
1）樹脂と蛍光体との比重が異なるので、液状の樹脂に蛍光体を混合すると、熱硬化するまでの時間に、液状樹脂と蛍光体の比重差のために蛍光体が沈降し、熱硬化した状態まで均一な混合状態を維持することが困難であり、発光ダイオードの色調の均一性を悪化させる。
2）発光ダイオードの色調を向上させる目的で２種類以上の異なった蛍光体をもちいることが一般的である。この場合には、２種類以上の蛍光体間の比重が異なり沈降速度に違いがでる問題が加わり、一段と樹脂との混合、分散状態、沈降速度が不均一に成り易くなり、熱硬化した状態まで均一な混合状態を維持することが一段と困難になるので、いっそう発光ダイオードの色調の均一性を悪化させる。

3）一般的に第1次の発光源であるLEDの波長は、蛍光体で波長変換された第2次の発光波長より短波長である。また、一般的に使われている透光性樹脂は短波長の光を吸収すると、透光性が劣化する性質がある。蛍光体で波長変換した第2次の発光波長より、発光源であるLEDの第1次の発光波長は短波長であるので、蛍光体と透光性樹脂を混練した状態では、LEDの第1次の発光波長である短波長光が透光性樹脂を1部透過することになるので、透光性樹脂の劣化を防止することが難しい
4）樹脂と蛍光体の混練中、及び、LEDチップとの樹脂と蛍光体を混練した材料で封止中に空気を巻き込やすく、歩留まりが悪化し、またこれを防止するには高価な機器が必要になり、製造コストが上昇する
また特許文献２には、BN結晶よりなるLEDに粒径限定した蛍光体層を結晶層の接合面につけることを提案しているが、本発明の対象は主としてGaN系半導体で対象が異なり、かつ1種類又は２種類以上の蛍光体の使用により演色性の良い白色系の光を取り出し、かつ光取り出し面の大部分を具体的な方法を提案して覆うことに特徴がある。
特開平７−９９３４５号公報特開平２−９１９８０号公報

本発明は上記の問題を解決し、色ムラを解決し安価で安定した色調が得られる発光ダイオード及びその成形方法を提供するものである。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させた。すなわち本発明は以下に関する。
（１）第1次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長とする発光ダイオードにおいて、第1次の発光源であるLEDの光取り出し面に、第２次の発光源である主として１種または２種以上の蛍光材料からなる薄膜が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
（２）第1次の発光波長が、第2次の発光波長より短いことを特徴とする上記（１）に記載の発光ダイオード。
（３）第1次の発光源であるLEDがGaN系で、LEDの基板がサファイア、又はSiCであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の発光ダイオード。
（４）第1次の発光源であるLEDがGaN系のLEDであり、第2次の発光色が白色系の色であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（５）主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の７０％以上を占めることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（６）主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の８０％以上を占めることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（７）主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の９０％以上を占めることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（８）主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の９５％以上を占めることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（９）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、１００ミクロン以下であることを特徴とする上記（１）〜（８）の何れか１項に記載の発光ダイオード。

（１０）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、５０ミクロン以下であることを特徴とする上記（１）〜（９）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１１）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、２５ミクロン以下であることを特徴とする上記（１）〜（１０）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１２）主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体質量百分率が７０％以上であることを特徴とする上記（１）〜（１１）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１３）主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体質量百分率が８５％以上であることを特徴とする上記（１）〜（１２）の何れか１項に記載の発光ダイオード。
（１４）GaN系のLEDの光取り出し面に、蛍光材料を含む薄膜層を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
（１５）薄膜層が、複数種類の蛍光材料を含むことを特徴とする上記（１４）に記載の発光ダイオードの製造方法。

本発明により以下の効果が得られる。
1）色ムラがなく、かつ安価な発光ダイオードを提供できる。
2）薄膜には樹脂を用いていないので、樹脂と蛍光材料の比重差による沈降の問題はなく、第1次の発光源であるLEDの発光面につけた蛍光体の薄膜を通り波長変換された第2次の発光波長は均一になり、従って出来た発光ダイオードの色調は均一になる。
3）２種類以上の蛍光体を混合して用いても、樹脂による混練工程がないので２種類以上の蛍光体の比重差の影響は受けない。従って数種類の蛍光体を混合しても、出来た発光ダイオードの色調は均一になる。
4）第1次の発光源であるLEDの発光面に直接蛍光体の薄膜をつけるので、LEDの第1次の発光波長である短波長光が透光性樹脂を透過することは無いので、透光性樹脂の劣化はおきない。
5）樹脂と蛍光体の混練工程が無いので、空気の巻き込みの問題は起きない。
従って、歩留まりが向上し、また空気巻き込み防止のための高価な機器が不必要になり、製造コストが減少する。

本発明はGaN系LED（発光ダイオード）の光取り出し面に主として蛍光材料からなる薄膜が形成されている発光ダイオードである。GaN系LEDは第１次の発光源であり、その発光の波長が第２次の発光源である蛍光材料により波長変換される。蛍光材料を種々組み合わせて波長変換することにより白色光等種々の波長の光とすることが出来る。
本発明において、第１次の発光源であるGaN系LEDは通常のLEDを制限なく用いることができ、その基板にも制限ないが、サファイア、SiCが好ましい。
本発明において第２次の発光源である薄膜は主として蛍光材料からなるものであり、好ましくは蛍光材料が７０質量％以上、さらに好ましくは８５質量％以上である。この場合ほぼ１００質量％蛍光材料からなる構成とすることも可能である。

薄膜が蛍光材料を主成分とする場合、残りの他の成分としてＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ等の無機系のガラスを結合材や添加材として含めることができる。
蛍光材料の薄膜を形成するGaN系LEDの光取り出し面はLEDの上面（基板と反対側）、側面、基板面の少なくとも一面である。この場合光取り出し面の７０％以上に薄膜を形成するのが好ましく、さらに好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上に薄膜を形成する。また全面に薄膜を形成することができる。

主として蛍光材料から薄膜の厚さは１００ミクロン（μｍ）以下が好ましく、さらに好ましくは５０ミクロン以下、最も好ましくは２５ミクロン以下である。この薄膜が１００ミクロンを越えると光取り出し効率が低下する等の問題が起る。
本発明で用いられる蛍光材料は特に制限はない。例えば公知のＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光材料等である。そしてこれらは１種又は２種以上を用いることができる。２種以上の場合、それらを混合してもよく、また薄膜層を２層以上とし、各層に別々の蛍光材料を含めてもよい。

LEDの光取り出し面に蛍光材料を主とする薄膜の形成方法は、蛍光材料粉末に前記の結合材を加え、これをLEDの光取り出し面に塗布、印刷等で薄膜を形成する方法や蒸着、スパッタリング等の方法を用いることができる。蒸着やスパッタリングの方法では蛍光材料がほぼ１００％の薄膜とすることができる。
LEDの光取り出し面に薄膜を形成したLEDチップは通常の方法により電極を取り付け、透光性樹脂で封止する。

（実施例１）
図１はサファイア基板のGaN系のLEDで、電極が同一面にあるLEDのサファイア面と側面の発光面に蛍光体薄膜をつけた図である。４ミクロンのYAG：Ce蛍光体に、バインダー（TMMS：Tetra Methoxy Methyl Silaneと、６質量％のAcetic Acid aqの混合液）を混合し、スラリー化して塗布した。次に、この薄膜を強固なものにするために１５０℃で加熱し厚さ２０ミクロンの薄膜とした。
色むらのない、安価で高効率で波長変換が可能な発光ダイオードが形成された。

（実施例２）
図２はサファイア基板のGaN系のLEDで、電極が同一面にあるLEDのサファイア面と側面の発光面に加えて、電極取り出し面にも蛍光体薄膜をつけた図である。蛍光材料、薄膜形成方法、薄膜厚さは実施例１と同じである。
実施例１より一段と、色むらのない、安価で高効率で波長変換が可能な発光ダイオードが形成された。

（実施例３）
図３はSiC基板のGaN系のLEDで、電極が上下の面にあるLEDに蛍光体薄膜をつけた図である。蛍光材料、薄膜形成方法、薄膜厚さは実施例１と同じである。

本発明により色むらのない、安価で高効率で波長変換が可能な発光ダイオードが形成できる。

サファイア基板のGaN系のLEDで、電極が同一面にあるLEDのサファイア面と側面の発光面に蛍光体薄膜をつけた図である。実施例２のサファイア基板のGaN系のLEDで、電極が同一面にあるLEDのサファイア面と側面の発光面に加えて、電極取り出し面にも蛍光体薄膜をつけた図である。実施例３のSiC基板のGaN系のLEDで、電極が上下の面にあるLEDに蛍光体薄膜をつけた図である。

符号の説明

１電極
２電極
３蛍光体薄膜
４エピタキシャル層
５基板（図１、２はサファイア、図３はSiC）

Claims

第1次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長とする発光ダイオードにおいて、第1次の発光源であるLEDの光取り出し面に、第２次の発光源である主として１種または２種以上の蛍光材料からなる薄膜が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
第1次の発光波長が、第2次の発光波長より短いことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
第1次の発光源であるLEDがGaN系で、LEDの基板がサファイア、又はSiCであることを特徴とする請求項1または２に記載の発光ダイオード。
第1次の発光源であるLEDがGaN系のLEDであり、第2次の発光色が白色系の色であることを特徴とする請求項1〜３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の７０％以上を占めることを特徴とする請求項1〜４の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の８０％以上を占めることを特徴とする請求項1〜５の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の９０％以上を占めることを特徴とする請求項1〜６の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜面が、LEDの発光取り出し面の９５％以上を占めることを特徴とする請求項1〜７の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、１００ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜８の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、５０ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜９の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、２５ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜１０の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体質量百分率が７０％以上であることを特徴とする請求項1〜１１の何れか１項に記載の発光ダイオード。
主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体質量百分率が８５％以上であることを特徴とする請求項1〜１２の何れか１項に記載の発光ダイオード。
GaN系のLEDの光取り出し面に、蛍光材料を含む薄膜層を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
薄膜層が、複数種類の蛍光材料を含むことを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオードの製造方法。