JP2006286904A - 発光ダイオードチップ及び発光ダイオードパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 光の取り出し効率を高くすることができ、かつ所望の放射特性を実現することを可能にする発光ダイオードチップ及び発光ダイオードパッケージを提供する。
【解決手段】 光透過性結晶から成る光透過性基板１１と、活性層１２を含む半導体発光層とが積層されて成り、光透過性基板１１の活性層１２とは反対側の表面が活性層１２の膜面とは非平行である発光ダイオードチップ１０を構成する。また、この発光ダイオードチップ１０が透明な保護材で覆われた発光ダイオードパッケージを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードチップ及び発光ダイオードチップを保護材で覆った発光ダイオードパッケージに係わる。

一般に、発光ダイオードは、基板に、活性層を含む半導体発光層とが積層されたチップから成る。

通常は、基板及び半導体発光層から成る発光ダイオードのチップを、樹脂で形成された光学レンズに封止して、パッケージを形成している。
そして、光学レンズによって、光学的に所望の放射角特性となるようなレンズ効果を実現している（例えば特許文献１参照。）。

また、基板や半導体発光層は、屈折率の高い結晶材料により構成される。
そして、高屈折率の結晶の内部から効率よく光を取り出すためには、パッケージ材となる樹脂として、比較的高屈折率の樹脂を用いる必要がある。

特開２００３−８０６８号公報

しかしながら、発光ダイオードに光学レンズを付加することによって、発光ダイオードのパッケージのコストが増大する要因となる。

また、高屈折率の樹脂といっても、結晶の屈折率、例えばサファイアは１．７程度であるのに対して、例えばエポキシ樹脂の屈折率は１．５程度であり、結晶の屈折率よりは幾分低くなる。
このように、結晶と樹脂との屈折率の差があることにより、結晶と樹脂との界面で反射される。そして、界面における反射を繰り返すことにより、光が減衰して損失を生じることになるため、光の取り出し効率を高くすることはできない。

上述した問題の解決のために、本発明においては、光の取り出し効率を高くすることができ、かつ所望の放射特性を実現することを可能にする発光ダイオードチップ、並びに発光ダイオードパッケージを提供するものである。

本発明の発光ダイオードチップは、光透過性結晶から成る光透過性基板と、活性層を含む半導体発光層とが積層されて成り、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面とは非平行であるものである。
また、本発明の発光ダイオードパッケージは、上記本発明の発光ダイオードチップが、透明な保護材により覆われて成るものである。

上述の本発明の発光ダイオードチップの構成によれば、光学レンズ等の付加光学材料がないので、発光ダイオードチップに付加光学材料を設けた構成と比較して、屈折率差のある界面が少なくなり、屈折率差に起因する、界面での反射による減衰を抑制することができる。
また、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面とは非平行であることにより、光透過性基板の活性層とは反対側の表面で反射された光でも、活性層等の膜面やチップの底面で反射されると、次に光透過性基板の活性層とは反対側の表面に達するときの入射角が変化しているため、チップの外へも出射するようになる。これにより、光透過性基板の活性層とは反対側の表面を活性層と平行な平面とした構成と比較して、活性層からの光が光透過性基板の活性層とは反対側の表面を透過しやすくなり、反射による減衰を抑制することができるため、光透過性基板の活性層とは反対側の表面から効率良く光を取り出すことができる。

さらにまた、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面とは非平行であることにより、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面に対して傾斜していることになる。このように傾斜していることにより、活性層から光透過性基板の活性層とは反対側の表面に達して反射又は屈折する光は、傾斜の高くなっている方に向かう比率が多くなる。
従って、光透過性基板の活性層とは反対側の表面の面形状や活性層の膜面に対する傾斜角を選定することによって、発光ダイオードチップを覆う光学レンズを設けなくても、光の放射特性（放射角分布等）を制御することが可能になる。

上述の本発明によれば、光透過性基板の活性層とは反対側の表面から効率良く光を取り出すことができるため、光の取り出し効率を大幅に改善することができる。
また、界面における反射による損失を低減するために特殊な高屈折材料から成る光学レンズを用いる必要がなくなり、そもそも光学レンズ材料が不要となるため、材料コストを大幅に低減することができる。

さらに、付加的なレンズ構造自体が不要となるために、同等な放射角特性を実現したままで、非常に小さい発光素子を作ることが可能となる。

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。

通常、発光ダイオードは、基板上に、活性層を含む半導体発光層を形成して構成され、半導体発光層から光を取り出している。
これに対して、基板を光透過性基板として、光透過性基板側から光を取り出す構成の発光ダイオードも考えられる。

このような発光ダイオードとしては、例えば、図３に示すような構成が挙げられる。
図３に示す発光ダイオード１００は、光透過性結晶から成る光透過性基板１０１に半導体発光層１０５が積層されて成る。半導体発光層１０５は、クラッド層１０２／活性層１０３／クラッド層１０４の構造となっている。クラッド層１０２には電極１０６から、クラッド層１０４には電極１０７から、それぞれ電圧が供給される。
また、この発光ダイオード１００は、光透過性基板１０１と半導体発光層１０５とを、上下を逆に配置していることにより、上方にある光透過性基板１０１を通じて、活性層１０３で発生した光を取り出すものである。これにより、電極１０６，１０７が光透過性基板１０１の側にはないため、電極１０６，１０７に遮られることなく光を取り出すことができる。

この発光ダイオード１００のチップを、樹脂製等の光学レンズで覆うことにより、発光ダイオードパッケージを構成することができる。
例えば、図４に示すように、発光ダイオード１００のチップを基板１１１の上に配置して、その周囲を樹脂製の光学レンズ１１２で覆って、発光ダイオードパッケージ１１０を構成している。この構成では、光学レンズ１１２の上面にじょうご形状のレンズ面１１３が形成されている。

しかしながら、チップ１００の光透過性基板を構成する高屈折率の光透過性結晶と光学レンズ１１２の樹脂との屈折率差により、これらの界面で反射による損失を生じて、光の取り出し効率が低下する。

一方、界面の反射による損失を抑えるために、光学レンズ１１２を光透過性基板１０１の屈折率と同等の高屈折率の材料とすると、特殊な材料が必要になるため、材料コストが高くなってしまう。

そこで、本発明では、光学レンズを使用しないで、発光ダイオードのチップ自体の形状を工夫することにより、光の取り出し効率を高くすることができ、かつ所望の放射特性を実現することを可能にする。
具体的には、光透過性結晶から成る光透過性基板と、活性層を含む半導体発光層とが積層されて成る発光ダイオードチップにおいて、光学レンズ等の付加光学材料を使用しないで、その代わりに、光透過性基板の活性層とは反対側の表面を活性層の膜面とは非平行にする。

このような構成としたことにより、光学レンズ等の付加光学材料を使用しないので、屈折率差のある界面が少なくなり、屈折率差に起因する、界面での反射による減衰を抑制することができる。付加光学材料を使用した場合には、結晶／付加光学材料の界面と、付加光学材料／外気の界面で屈折率差があるのに対して、屈折率差のある界面が結晶／チップ外部の界面だけになる。
そして、光透過性基板の活性層とは反対側の表面を活性層の膜面とは非平行にしたことにより、光透過性基板の活性層とは反対側の表面の形状の作用により、所望の放射特性を実現することを可能にする。また、光透過性基板の活性層とは反対側の表面を活性層の膜面と平行にした場合と比較して、屈折率差に起因する、界面での反射による減衰をさらに低減することができるため、効率良く光を取り出すことができる。

ここで、光透過性基板の活性層とは反対側の表面を活性層の膜面とは非平行にしたことによる利点について説明する。
例えば、図５の断面図に示すように、発光ダイオードのチップ５０の光透過性基板５１の活性層５２とは反対側の表面５１Ａが、活性層５２の膜面に対して平行である場合を考える。
活性層５２で発生して光透過性基板５１の活性層５２とは反対側の表面５１Ａに達する光は、様々な方向で入射するため、表面５１Ａにおいて透過又は反射した光は、様々な方向に向かう。これにより、チップ５０の表面５１から外部に出射する光は不特定の方向に放射される。
また、このような構成では、チップ５０の底面は通常活性層５２の膜面と平行であり、表面５１Ａと底面とが平行であるため、表面５１Ａで反射した光は、底面で反射して再び表面５１Ａに入射するときも入射角にほとんど変化がない。
特に、チップ５０の外側が空気や樹脂等のチップ５０の結晶よりも屈折率の低い材料である場合には、全反射条件で反射した光は、また表面５１Ａで反射されることになり、以後反射を繰り返すことになり、減衰していく。界面での屈折率差が大きいほど、チップ５０との界面で反射する率が高くなるため、反射による減衰が大きくなってしまう。

一方、発光ダイオードチップの光透過性基板の活性層とは反対側の表面を、活性層の膜面に対して非平行である構成とすると、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面に対して傾斜していることになる。このように傾斜していることにより、活性層から光透過性基板の活性層とは反対側の表面に達して反射又は屈折する光は、傾斜の高くなっている方に向かう比率が多くなる（図１Ｂ参照）。
これにより、放射方向の分布を規制することができ、所望の放射特性とすることも可能となる。
また、活性層等の膜面やチップの底面との反射と表面との反射を繰り返すうちに、光透過性基板の活性層とは反対側の表面への入射角が変化するため、チップの外へも出射するようになる。これにより、界面の反射による損失を低減して、光の取り出し効率を高めることができる。

光透過性基板の活性層とは反対側の表面の、活性層の膜面に対する傾斜角度は、特に限定されない。微小角度からある程度の角度までは、傾斜角度を大きくするほど放射方向を規制しやすくなる傾向がある。
また、光透過性基板の活性層とは反対側の表面は、必ずしも平面でなくてもよく、曲面であっても形状に応じて放射方向の分布を規制することができる。

光透過性基板の活性層とは反対側の表面を、活性層に対して非平行な面とするには、結晶を加工して一部を除去する方法や、同一材料から成る形状の異なる複数の透明部材を接合する方法、さらには、選択結晶成長を利用して斜面等を形成する方法等が考えられる。
具体的に光透過性基板に使用する結晶材料に対応して、適切な方法を採用する。

また、光透過性基板内には活性層がないため、活性層を含む発光層側に形状を形成する場合と比較して、活性層が加工によりダメージを受けたり、活性層の膜面が凹凸形状になることによって発光ダイオードの特性へ影響を及ぼしたりすることがなく、さらに光透過性基板は加工等により様々な形状にすることが比較的容易である、という利点も有している。

また、上述の本発明の発光ダイオードチップに対して、発光ダイオードチップを透明な保護材によって覆うことにより発光ダイオードパッケージを構成する。
光透過性基板や半導体発光層の結晶には、大気中に触れると酸化等により劣化するものがあり、そのような結晶を用いる場合には、透明な保護材により覆って発光ダイオードパッケージとする。
図５に示したように、チップの光透過性基板５１の活性層５２とは反対側の表面５１Ａが活性層５２の膜面と平行である場合には、透明な保護材で覆うと、保護材との屈折率差によって、界面での反射による減衰が大きくなる。
これに対して、本発明の発光ダイオードチップは、チップの光透過性基板の活性層とは反対側の表面が活性層の膜面と非平行で、前述したように界面での反射による減衰を抑制することができるため、保護材に屈折率の小さい材料を使用することができる。そして、保護材に外気と同等の屈折率を有する材料を用いれば、保護材／外気の界面の屈折率差が小さいので、この界面での反射による取り出し効率の低下も抑制することができる。

また、本発明において、発光ダイオードチップを構成する光透過性基板及び半導体発光層の材料は、特に限定されるものではなく、本発明は、従来公知の構成や今後開発される様々な構成の発光ダイオードに適用することができる。

光透過性基板の材料としては、例えば、サファイア、シリコン、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）や、酸化亜鉛等が挙げられる。

本発明の発光ダイオードチップは、ランプ等の照明や、表示装置の光源、画像表示装置のバックライト光源等、様々な用途に用いることができる。

また、本発明の発光ダイオードチップを多数並べて、これを透明な保護材で覆って発光ダイオードパッケージとすることも可能である。
このように構成することにより、１個１個の発光ダイオードチップに光学レンズが設けられた従来の発光ダイオードパッケージと比較して、パッケージを小型化することができると共に、単位面積当たりの発光ダイオードチップの個数を多くして、輝度を向上することが可能になる。

続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。

本発明の発光ダイオードチップの一実施の形態の概略構成図を、図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは斜視図であり、図１Ｂは断面図である。
この発光ダイオードチップ１０は、光透過性基板１１と、活性層１２を含む半導体発光層とが積層されて、チップ１０が構成されている。半導体発光層は、活性層１２と図示しないクラッド層とが積層されて成る。
この発光ダイオードチップ１０は、上側が径の大きい円錐台から、円錐を切り取った形状となっている。
そのため、図１Ｂに示すように、光透過性基板１１の活性層１２とは反対側の表面１１Ａは、チップ１０の中心軸から外側に向かって高くなる傾斜面となっている。一方、活性層１２の膜面はチップ１０の底面と平行で、水平面となっている。
従って、光透過性基板１１の活性層１２とは反対側の表面１１Ａは、活性層１２の膜面及びチップの底面に対して傾斜している。

このように、光透過性基板１１の活性層１２とは反対側の表面１１Ａが、活性層１２の膜面及びチップ１０の底面に対して傾斜していることにより、活性層１２から光透過性基板１１の表面１１Ａに達して反射又は屈折する光は、傾斜の高くなっている方向、即ちチップ１０の中心軸から外側に広がる方向に向かう比率が多くなる。
これにより、放射方向の分布を規制することができ、所望の放射特性とすることも可能となる。

また、活性層１２の膜面やチップ１０の底面との反射と表面１１Ａとの反射を繰り返すうちに、表面１１Ａへの入射角が変化するため、表面１１Ａからチップ１０の外へも出射するようになる。これにより、界面の反射による損失を低減して、光の取り出し効率を高めることができる。
なお、本実施の形態では、発光ダイオードチップ１０の側面１１Ｂも傾斜面になっているため、チップの側面１１Ｂで反射することによっても表面１１Ａへの入射角が変化していくので、さらに取り出しやすくなっている。

このようにして、チップ１０からの出射光は、チップ１０の中心軸から斜め上方向に環状に広がる光が多くなり、そのような放射特性（放射角分布）が得られる。

従って、本実施の形態の発光ダイオードチップ１０の構成により、チップ１０の中心軸から斜め上方向に環状に広がる放射特性を得ることができる。

上述の実施の形態の発光ダイオードチップ１０では、水平方向において、ほぼ均等な放射特性が得られるが、例えば、前後方向には少なく左右方向に多く、というように放射特性を規制することも可能である。
特に、バックライト光源に発光ダイオードを用いる場合には、アレイ状に発光ダイオードチップを並べて、並べた方向に沿う横方向に放射させることが望ましい。
このような場合に適した構成を次に示す。

本発明の発光ダイオードチップの他の実施の形態の概略構成図を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは斜視図であり、図２Ｂは平面図である。
この発光ダイオードチップ２０は、光透過性基板２１と、活性層２２を含む半導体発光層とが積層されて、チップ２０が構成されている。半導体発光層は、活性層２２と図示しないクラッド層とが積層されて成る。
この発光ダイオードチップ２０は、図２Ａに示すように、上側が径の大きく底面が長方形の角錐台から、底面側を切り取って、光透過性基板２１の活性層２２とは反対側の表面２１Ａを、長方形の各辺から中央に向かって下る傾斜面としたものである。
一方、活性層２２の膜面はチップ２０の底面と平行で、水平面となっている。
従って、光透過性基板２１の表面２１Ａは、活性層２２の膜面及びチップ２０の底面に対して傾斜している。

このように、光透過性基板２１の活性層２２とは反対側の表面２１Ａが、活性層２２の膜面及びチップ２０の底面に対して傾斜していることにより、活性層２２から光透過性基板２１の表面２１Ａに達して反射又は屈折する光は、傾斜の高くなっている方向、即ちチップ２０の中心軸から外側に広がる方向に向かう比率が多くなる。
また、活性層２２の膜面やチップ２０の底面との反射と表面２１Ａとの反射を繰り返すうちに、表面２１Ａへの入射角が変化するため、表面２１Ａからチップ２０の外へも出射するようになる。これにより、界面の反射による損失を低減して、光の取り出し効率を高めることができる。
なお、本実施の形態では、発光ダイオードチップ２０の側面も傾斜面になっているため、チップ２０の側面で反射することによっても表面２１Ａへの入射角が変化していくので、さらに取り出しやすくなっている。

そして、本実施の形態では、光透過性基板２１の表面２１Ａは、その大部分が長方形の長辺から傾斜した傾斜面となっている。そのため、チップ２０から出射する光は、長方形の短辺側に向かう成分よりも、長方形の長辺側に向かう成分がずっと多くなる。
これにより、図２Ｂに太い矢印で示すように、長方形の長辺側から左右に広がる光が多くなり、そのような放射特性（放射角分布）が得られる。

従って、本実施の形態の発光ダイオードチップ２０の構成により、図２Ｂの左右方向に偏在した放射特性を得ることができる。

即ち、本実施の形態の発光ダイオードチップ２０では、発光ダイオードチップ２０の光透過性基板２１の表面２１Ａを非軸対称な形状としているので、放射特性を非軸対称とすることができる。
一方、先の実施の形態の発光ダイオードチップ１０では、発光ダイオードチップ１０の光透過性基板１１の表面１１Ａを中心軸に対称な形状としているので、放射特性を軸対称とすることができる。

上述の各実施の形態では、光透過性基板の活性層とは反対側の表面が、中央が窪んだ凹面である構成であったが、本発明では、活性層の膜面と非平行であれば、凹面である構成に限定されない。例えば、中央が盛り上がった凸面や、一様な傾斜面であってもよい。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

Ａ 本発明の一実施の形態の発光ダイオードチップの概略構成図（斜視図）である。 Ｂ 図１Ａの発光ダイオードチップの断面図である。 Ａ 本発明の他の実施の形態の発光ダイオードチップの概略構成図（斜視図）である。 Ｂ 図２Ａの発光ダイオードチップの平面図である。 光透過性基板を用いた発光ダイオードの概略構成図である。 光学レンズを用いた発光ダイオードパッケージの概略構成図である。 光透過性基板の表面が活性層の膜面と平行である場合の、発光ダイオードチップの断面図である。

符号の説明

１０，２０ 発光ダイオードチップ、１１，２１ 光透過性基板、１２，２２ 活性層

Claims (3)

1. 光透過性結晶から成る光透過性基板と、活性層を含む半導体発光層とが積層されて成り、
   前記光透過性基板の前記活性層とは反対側の表面が、前記活性層の膜面とは非平行である
   ことを特徴とする発光ダイオードチップ。
2. 前記光透過性基板の表面がレンズ作用を有する曲面形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードチップ。
3. 光透過性結晶から成る光透過性基板と、活性層を含む半導体発光層とが積層されて成り、
   前記光透過性基板の前記活性層とは反対側の表面が、前記活性層の膜面とは非平行である発光ダイオードチップを備え、
   前記発光ダイオードチップが、透明な保護材により覆われて成る
   ことを特徴とする発光ダイオードパッケージ。
   

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