JP2008112959A - Light emitting diode element, and light emitting diode device - Google Patents

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Akihiko Sakamoto
明彦 坂本
Sunao Seto
直 瀬戸
Hirosuke Himei
裕助 姫井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting diode element for improving light take-out efficiency and having high light emitting efficiency by forming a cover layer wherein the change of an antireflection effect by the heat generation of a light emitting diode chip is small without the need of microfabrication to a substrate and the light emitting diode chip or an optical member for converging light, and to provide a light emitting diode device using it. <P>SOLUTION: In the light emitting diode element comprising the light emitting diode chip and the cover layer formed on the surface, the cover layer is provided with an antireflection function to light emitted from the light emitting diode chip, the thickness is ≤50 μm and the absolute value of the temperature coefficient of a refractive index is ≤15×10<SP>-6</SP>/°C. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、発光ダイオード素子およびそれを用いた発光ダイオード装置に関するものである。   The present invention relates to a light emitting diode element and a light emitting diode device using the same.

今日、発光ダイオード装置(LED装置)は、赤色系、緑色系および青色系、紫外系など多様な波長を有する光の出射が可能となり、さらに蛍光材料との組み合わせによる波長変換技術の開発と相まって、各種の表示、照明器具などに不可欠な光源となっている。これらの器具においては、より少ない電力で大きな光束が得られること、すなわち発光効率が高いことが強く求められている。   Today, light-emitting diode devices (LED devices) can emit light with various wavelengths such as red, green, blue, and ultraviolet, and coupled with the development of wavelength conversion technology in combination with fluorescent materials, It is an indispensable light source for various displays and lighting equipment. These instruments are strongly required to obtain a large luminous flux with less electric power, that is, high luminous efficiency.

発光効率を向上させる一つの方法に、発光ダイオード素子(LED素子)からの光の取り出し効率を高めることが上げられる。一般に発光ダイオード素子の材料は、窒化ガリウム系など屈折率が高い材料が用いられるため、素子から発せられた光が素子と接触する周囲の物質との界面で反射され、素子から取り出せない現象が起こる。この影響を低減するために、例えば特許文献1に開示されているように素子基板や発光ダイオード素子に凹凸を設けて光の入射角を制御して取り出し効率を改善する方法や、特許文献2に開示されているように、発光ダイオード素子上に集光用の光学部品を配置することで取り出した光を有効に利用する方法などが考案されている。また、特許文献3には、屈折率を調整した合成樹脂等を発光ダイオード素子上にコーティングする方法、さらに特許文献4には、屈折率が2.2〜2.7である反射防止膜を発光ダイオード素子上に形成し、反射防止膜上に保護膜を形成する方法が開示されている。
特開2003-204079号公報 特開2005-166733号公報 特開平4-22352号公報 特許第2924580号公報
One method for improving the light emission efficiency is to increase the light extraction efficiency from the light emitting diode element (LED element). In general, a material having a high refractive index such as a gallium nitride-based material is used as a material of a light emitting diode element. Therefore, a phenomenon occurs in which light emitted from the element is reflected at an interface with a surrounding substance in contact with the element and cannot be extracted from the element. . In order to reduce this influence, for example, as disclosed in Patent Document 1, a method for improving the extraction efficiency by providing irregularities on the element substrate and the light emitting diode element to control the incident angle of light, As disclosed, there has been devised a method for effectively using the light extracted by arranging a condensing optical component on a light emitting diode element. Further, Patent Document 3 discloses a method of coating a light-emitting diode element with a synthetic resin having a refractive index adjusted, and Patent Document 4 emits an antireflection film having a refractive index of 2.2 to 2.7. A method of forming a protective film on a diode element and a protective film on an antireflection film is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-204079 JP 2005-166733 A JP-A-4-22352 Japanese Patent No. 2924580

上述の従来技術のうち、特許文献1や特許文献2に開示されている技術は、基板や発光ダイオード素子の微細加工や追加の光学部品を必要とするため、素子製造効率やアセンブリ効率の低下、または部材コストの上昇などを招く問題がある。また、特許文献3、4に記載の方法のように発光ダイオードチップ上に被覆層を形成して反射を低減させる場合には、発光ダイオードチップの発熱によって温度が変化しても、被覆層の屈折率が変化しにくいことが重要となるが、被覆層に樹脂を用いる方法では、樹脂の屈折率の温度係数の絶対値が大きい、すなわち、樹脂の屈折率が温度によって変化しやすいため、発光ダイオードチップの発熱によって反射防止効果が変化する、つまり発光ダイオード素子の発光効率が温度変化によって変化するという問題がある。さらに樹脂は、発光ダイオードチップから発せられる熱や光によって劣化しやすい問題があり、特にこれらはいずれも光出力の高い発光ダイオード素子において重大な問題となる。また、特許文献4に記載の方法は、所定の屈折率を有する材料が限定される上、反射防止膜上に保護層を設けることが必須であるため製造工程が複雑となり実用性に乏しいという問題がある。   Among the above-described conventional techniques, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 require microfabrication of a substrate and a light-emitting diode element and additional optical components. Or there exists a problem which causes a raise of member cost. Further, when the coating layer is formed on the light emitting diode chip to reduce reflection as in the methods described in Patent Documents 3 and 4, even if the temperature changes due to the heat generation of the light emitting diode chip, the refraction of the coating layer is performed. It is important that the refractive index is difficult to change, but in the method using a resin for the coating layer, the absolute value of the temperature coefficient of the refractive index of the resin is large, that is, the refractive index of the resin is likely to change with temperature. There is a problem that the antireflection effect changes due to heat generation of the chip, that is, the light emission efficiency of the light emitting diode element changes due to temperature change. Furthermore, there is a problem that the resin is likely to be deteriorated by heat and light emitted from the light emitting diode chip, and these are particularly serious problems in a light emitting diode element having a high light output. In addition, the method described in Patent Document 4 has a problem that a material having a predetermined refractive index is limited and a protective layer is provided on the antireflection film, so that the manufacturing process is complicated and the practicality is poor. There is.

一方、ガラスのように耐久性の高い材料によって発光ダイオード素子を封着することにより素子界面での反射を低減させることも考えうるが、一般に発光ダイオード素子は熱に弱く、ガラスを軟化させる封着工程の温度によって発光ダイオード素子の特性が劣化する問題がある。   On the other hand, it is conceivable to reduce the reflection at the element interface by sealing the light emitting diode element with a highly durable material such as glass, but generally the light emitting diode element is weak against heat and sealing that softens the glass. There is a problem that the characteristics of the light-emitting diode element deteriorate due to the temperature of the process.

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、基板や発光ダイオードチップの微細加工や集光用光学部材を必要とせず、かつ、発光ダイオードチップの発熱による反射防止効果の変化が小さい被覆層を発光ダイオードチップ上に形成することによって光の取り出し効率を向上させ、高い発光効率を有する発光ダイオード素子およびそれを用いた発光ダイオード装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and does not require fine processing of a substrate or a light-emitting diode chip or a condensing optical member, and changes in the antireflection effect due to heat generation of the light-emitting diode chip. An object of the present invention is to provide a light-emitting diode element having high light emission efficiency and a light-emitting diode device using the same, by improving the light extraction efficiency by forming a small covering layer on the light-emitting diode chip.

本発明者は、発光ダイオードチップ上に、発光ダイオードチップから出射された光に対する反射防止機能を有し、かつ、屈折率の温度係数の絶対値が小さい薄肉の被覆層を形成することによって上記の目的が達成できることを見出し本発明として提案するものである。   The inventor forms the thin coating layer on the light emitting diode chip by forming a thin coating layer having an antireflection function for light emitted from the light emitting diode chip and having a small absolute value of the temperature coefficient of refractive index. It is found that the object can be achieved and is proposed as the present invention.

すなわち、本発明の発光ダイオード素子は、発光ダイオードチップと、その表面に形成された被覆層とを備えた発光ダイオード素子において、被覆層は、発光ダイオードチップから出射された光に対する反射防止機能を備え、厚さが50μm以下であり、かつ、屈折率の温度係数の絶対値が15×10-6/℃以下であることを特徴とする。 That is, the light-emitting diode element of the present invention is a light-emitting diode element that includes a light-emitting diode chip and a coating layer formed on the surface thereof, and the coating layer has an antireflection function for light emitted from the light-emitting diode chip. The thickness is 50 μm or less, and the absolute value of the temperature coefficient of refractive index is 15 × 10 −6 / ° C. or less.

本発明の発光ダイオード素子は、上記した構成を有しているため、発光ダイオードチップの微細加工や集光用光学部材を必要とせず、かつ、発光ダイオードチップの発熱による反射防止効果の変化が小さく(発光ダイオード素子の発光効率が温度変化によって変化しにくく)、被覆層を発光ダイオードチップ上に形成することによって光の取り出し効率を向上させ、高い発光効率を有する。   Since the light-emitting diode element of the present invention has the above-described configuration, it does not require fine processing of the light-emitting diode chip or a condensing optical member, and the change in the antireflection effect due to heat generation of the light-emitting diode chip is small. (The light emission efficiency of the light emitting diode element is not easily changed by a temperature change), and the light extraction efficiency is improved by forming the coating layer on the light emitting diode chip, and the light emission efficiency is high.

また、被覆層の厚みが50μmよりも大きいと、被覆層の熱膨張係数の影響を無視できなくなり、被覆層と発光ダイオード素子との熱膨張差によって応力が発生し、被覆層や発光ダイオード素子が破損する危険性が大きくなるとともに、被覆層に発生した応力によって屈折率が変化し、所期の反射防止効果が得られなくなるため好ましくない。被覆層の厚みの好ましい範囲は25μm以下、より好ましい範囲は10μm以下である。   Further, if the thickness of the coating layer is larger than 50 μm, the influence of the thermal expansion coefficient of the coating layer cannot be ignored, and a stress is generated due to the difference in thermal expansion between the coating layer and the light emitting diode element. The risk of breakage increases, and the refractive index changes due to the stress generated in the coating layer, and the desired antireflection effect cannot be obtained. A preferable range of the thickness of the coating layer is 25 μm or less, and a more preferable range is 10 μm or less.

また、被覆層は、屈折率の温度係数の絶対値が15×10-6/℃よりも大きいと、発光ダイオード素子の発熱による被覆層の屈折率変化が大きくなるため、発光ダイオード素子の発光効率が温度によって大きく変化する。例えば、一般的な樹脂の屈折率の温度係数の絶対値は、100×10-6/℃以上であるため、発光ダイオードチップの温度が200℃上昇した場合には、屈折率が0.02以上変化することに相当する。このことは、被覆層への光の入射角が大きい場合には、反射防止効果に変化を及ぼすのに十分な変化であることを意味する。屈折率の温度係数の絶対値の好ましい範囲は、10×10-6/℃以下であり、より好ましい範囲は、8×10-6/℃以下である。 In addition, when the absolute value of the temperature coefficient of the refractive index is greater than 15 × 10 −6 / ° C., the coating layer has a large change in the refractive index of the coating layer due to heat generation of the light emitting diode element. Varies greatly with temperature. For example, since the absolute value of the temperature coefficient of the refractive index of a general resin is 100 × 10 −6 / ° C. or higher, when the temperature of the light emitting diode chip is increased by 200 ° C., the refractive index is 0.02 or higher. It corresponds to changing. This means that when the incident angle of light on the coating layer is large, the change is sufficient to change the antireflection effect. A preferable range of the absolute value of the temperature coefficient of the refractive index is 10 × 10 −6 / ° C. or less, and a more preferable range is 8 × 10 −6 / ° C. or less.

また、上記した構成において、被覆層が単層からなり、被覆層の屈折率が発光ダイオードチップの屈折率よりも小さく、被覆層の外側の層又は空気の屈折率よりも大きいことが好ましい。   In the above-described configuration, it is preferable that the coating layer is a single layer, and the refractive index of the coating layer is smaller than the refractive index of the light emitting diode chip and larger than the refractive index of the layer outside the coating layer or air.

このようにすれば、被覆層屈折率の緩衝層(バッファ層)効果によって、光の取り出し効率が向上し、より高い発光効率が得られる。   If it does in this way, the extraction efficiency of light improves by the buffer layer (buffer layer) effect of a coating layer refractive index, and higher luminous efficiency is obtained.

さらに、発光ダイオードチップから出射される光の波長をλ、被覆層の肉厚をd、被覆層の屈折率をnとしたとき、nd=aλ/4(aは1以上の奇数)の関係を満たすことが好ましい。   Furthermore, when the wavelength of light emitted from the light emitting diode chip is λ, the thickness of the coating layer is d, and the refractive index of the coating layer is n, nd = aλ / 4 (a is an odd number of 1 or more). It is preferable to satisfy.

このようにすれば、上記した被覆層屈折率の緩衝層(バッファ層)と光の干渉の相乗効果によって、光の取り出し効率が大幅に向上し、より高い発光効率が得られる。つまり、被覆層により発光ダイオードチップと被覆層との界面及び被覆層とその外側の層又は空気との界面において、発光ダイオードチップから出射された光の臨界角が大きくなると共に、これらの界面における光の反射が光の干渉によって相殺され、効率よく発光ダイオードチップから光を出射することが可能となる。   In this way, the light extraction efficiency is greatly improved and higher light emission efficiency is obtained due to the synergistic effect of interference between light and the buffer layer (buffer layer) having the refractive index of the coating layer described above. That is, the covering layer increases the critical angle of light emitted from the light emitting diode chip at the interface between the light emitting diode chip and the covering layer and the interface between the covering layer and the outer layer or air, and the light at these interfaces. Is canceled by the interference of light, and light can be efficiently emitted from the light emitting diode chip.

上記した構成において、発光ダイオードチップの屈折率をn1、被覆層のよりも外側にある層又は空気の屈折率をn2とし、被覆層の屈折率n3=(n1×n2)0.5+A(n1−n2)とした時、Aが−0.35〜+0.55であることが好ましい。 In the above configuration, the refractive index of the light-emitting diode chip is n1, the refractive index of the layer or air outside the coating layer is n2, and the refractive index of the coating layer is n3 = (n1 × n2) 0.5 + A (n1-n2 ), A is preferably -0.35 to +0.55.

このようにすれば、特に高い取り出し効率が得られる。Aの好ましい範囲は−0.15〜+0.2である。   In this way, a particularly high extraction efficiency can be obtained. A preferable range of A is −0.15 to +0.2.

また、上記した光学干渉効果は、発光ダイオードチップからの出射光が2ndを超える長さの連続光であるときに発現し、nd=aλ/4(aは1以上の奇数)の関係(1)を満たすことに加え、発光ダイオードチップと被覆層との界面及び被覆層とその外側の層又は空気との界面における反射強度が等しい場合(2)に最大限に発揮される。なお、(2)の反射強度が等しくなる条件とは、フレネルの式から導出すると、単層である被覆層の屈折率n3=(n1×n2)0.5となる条件を指す。 The optical interference effect described above appears when the light emitted from the light emitting diode chip is continuous light having a length exceeding 2nd, and the relationship (1) of nd = aλ / 4 (a is an odd number of 1 or more). In addition to satisfying the above, it is maximized when the reflection intensity at the interface between the light emitting diode chip and the coating layer and the interface between the coating layer and the outer layer or air is equal (2). Note that the condition (2) where the reflection intensities are equal refers to a condition in which the refractive index n3 = (n1 × n2) 0.5 of the coating layer which is a single layer is derived from the Fresnel equation.

また、上記した構成において、被覆層を複層としたとき、各層の屈折率を発光ダイオードチップに近い側から逐次的に減少させることが好ましい。このようにすれば、被覆層を単層とした時に比べ、効果的に反射防止を行い、光の取り出し効率を高めることが可能になる。   Further, in the above-described configuration, when the coating layer is a multilayer, it is preferable to sequentially decrease the refractive index of each layer from the side closer to the light emitting diode chip. In this way, it is possible to effectively prevent reflection and increase the light extraction efficiency as compared with the case where the coating layer is a single layer.

上記した構成において、被覆層が珪酸塩系多成分ガラス、ホウ酸塩系多成分ガラスもしくは燐酸塩系多成分ガラスからなることが好ましい。このようにすれば、屈折率の温度係数の絶対値を小さくすることができ、しかも熱や光に対する耐久性に優れた被覆層を得ることができる。特許文献3には、被覆層として、ゲルマニウム系ガラスが記載されているが、一般にゲルマニウム系ガラスの屈折率の温度係数の絶対値は大きく、例えばGeO2ガラスの屈折率の温度係数の絶対値は、19×10-6/℃であるため、発光ダイオードチップの発熱による反射防止効果の変化を十分に抑制することができない。それに対し、珪酸塩系多成分ガラス、ホウ酸塩系多成分ガラスもしくは燐酸塩系多成分ガラスは屈折率の温度係数の絶対値が小さく、種々の成分を含有させて多成分ガラスにすることによって、広範囲に屈折率を調整できるとともに、熱膨張係数や耐久性の調整が可能であるため、本発明の目的に対して好適である。特に珪酸塩系多成分ガラスは耐久性に優れるためより好ましい。 In the above-described configuration, it is preferable that the coating layer is made of silicate multicomponent glass, borate multicomponent glass, or phosphate multicomponent glass. In this way, the absolute value of the temperature coefficient of refractive index can be reduced, and a coating layer having excellent durability against heat and light can be obtained. In Patent Document 3, germanium-based glass is described as a coating layer. Generally, the absolute value of the temperature coefficient of refractive index of germanium-based glass is large. For example, the absolute value of the temperature coefficient of refractive index of GeO 2 glass is 19 × 10 −6 / ° C., the change in the antireflection effect due to heat generation of the light emitting diode chip cannot be sufficiently suppressed. In contrast, silicate-based multicomponent glass, borate-based multicomponent glass or phosphate-based multicomponent glass has a small absolute value of the temperature coefficient of refractive index. Since the refractive index can be adjusted over a wide range and the coefficient of thermal expansion and durability can be adjusted, it is suitable for the purpose of the present invention. In particular, silicate-based multicomponent glass is more preferable because of its excellent durability.

また、被覆層は、アルカリ金属元素及びハロゲン元素を実質的に含有しない珪酸塩系多成分ガラスからなることが好ましく、被覆層が複層からなる場合には、少なくとも発光ダイオードチップに接触する層がアルカリ金属元素及びハロゲン元素を実質的に含有しない珪酸塩系多成分ガラスからなることが好ましい。すなわち、アルカリ金属元素及びハロゲン元素は、発光ダイオードチップ上の電極、配線等を劣化させる虞があるからである。特に、被覆層の全ての層がアルカリ金属元素及びハロゲン元素を実質的に含有しない珪酸塩系多成分ガラスからなることがより好ましい。尚、実質的に含有しないとは、アルカリ金属元素及びハロゲン元素の合量が、1質量%以下であることを意味する。   Further, the coating layer is preferably made of a silicate-based multicomponent glass that substantially does not contain an alkali metal element and a halogen element. When the coating layer is formed of a plurality of layers, at least a layer that contacts the light emitting diode chip is provided. It is preferable that it consists of a silicate type | system | group multicomponent glass which does not contain an alkali metal element and a halogen element substantially. That is, alkali metal elements and halogen elements may deteriorate the electrodes, wirings, and the like on the light emitting diode chip. In particular, it is more preferable that all the layers of the coating layer are made of a silicate-based multicomponent glass that does not substantially contain an alkali metal element and a halogen element. In addition, that it does not contain substantially means that the total amount of an alkali metal element and a halogen element is 1 mass% or less.

また、上記した構成において、被覆層を複層としたとき、被覆層は、屈折率の高い層と屈折率の低い層とが交互に形成されてなることが好ましい。このようにすれば、光の干渉効果を利用して広い波長範囲に亘って界面での反射を抑制する効果が得られるため、同一の膜構成で、出射光の波長が異なる発光ダイオードに対しても発光効率を高めることができる。この場合、屈折率の低い層として、SiO2、MgF2等が、屈折率の高い層としてTiO2、Ta25等の光学薄膜用の材料が使用可能である。 In the above-described configuration, when the coating layer is a multilayer, the coating layer is preferably formed by alternately forming a layer having a high refractive index and a layer having a low refractive index. In this way, since the effect of suppressing reflection at the interface over a wide wavelength range can be obtained using the interference effect of light, the same film configuration can be used for light emitting diodes with different wavelengths of emitted light. Can also increase luminous efficiency. In this case, materials for optical thin films such as SiO 2 and MgF 2 can be used as the low refractive index layer, and TiO 2 and Ta 2 O 5 can be used as the high refractive index layer.

上記した構成において、被覆層は、光弾性定数が10(nm/cm)/(kg/cm2)以下であることが好ましい。このようにすれば、被覆層と発光ダイオードチップとの熱膨張差によって応力が発生しても、被覆層の屈折率の変化を最小限に抑えることができる。光弾性定数の好ましい範囲は、6(nm/cm)/(kg/cm2)以下であり、より好ましい範囲は、4(nm/cm)/(kg/cm2)以下である。 In the above configuration, the coating layer preferably has a photoelastic constant of 10 (nm / cm) / (kg / cm 2 ) or less. In this way, even if stress is generated due to the difference in thermal expansion between the coating layer and the light emitting diode chip, the change in the refractive index of the coating layer can be minimized. A preferable range of the photoelastic constant is 6 (nm / cm) / (kg / cm 2 ) or less, and a more preferable range is 4 (nm / cm) / (kg / cm 2 ) or less.

また、上記した構成において、被覆層の各層がスパッタリング法、蒸着法、CVD法(化学気相成長法:Chemical Vapor Deposition)、CSD法(化学溶液析出法:Chemical Solution Deposition)、LPE法(液晶成長法:Liquid Phase Deposition)、AD法(Aerosol Deposition)及びゾルゲル法の群から選択された少なくとも一種類の方法によって形成されていることが好ましい。このようにすれば、発光ダイオードチップの特性が劣化しないように、低温で被覆層を形成することが可能となる。またこのような形成方法を用いれば、多様な形状を有する発光ダイオード素子上にも被覆層を形成することができ、例えば発光ダイオードチップ上に電極が配置されている場合や凹凸が形成されている場合でも容易に被覆層を形成することができる。   In the above-described structure, each of the coating layers is formed by sputtering, vapor deposition, CVD (chemical vapor deposition), CSD (chemical solution deposition), LPE (liquid crystal growth). Method: It is preferably formed by at least one method selected from the group consisting of Liquid Phase Deposition), AD Method (Aerosol Deposition), and Sol-Gel Method. In this way, the coating layer can be formed at a low temperature so that the characteristics of the light-emitting diode chip are not deteriorated. Moreover, if such a formation method is used, a coating layer can be formed on light emitting diode elements having various shapes. For example, when electrodes are arranged on a light emitting diode chip or unevenness is formed. Even in this case, the coating layer can be easily formed.

上記した構成において、発光ダイオードチップとしては、窒化ガリウム系の他、アルミニウムガリウム砒素系、ガリウム砒素リン系、リン化ガリウム系、セレン化亜鉛系、アルミニウムインジウムガリウムリン系などを用いることが可能であり、これらの材料に応じた屈折率を有する被覆層材質とその形成方法を選択すれば良い。   In the above configuration, as the light emitting diode chip, it is possible to use aluminum gallium arsenide, gallium arsenide phosphorus, gallium phosphide, zinc selenide, aluminum indium gallium phosphide, etc. in addition to gallium nitride. The covering layer material having a refractive index corresponding to these materials and the forming method thereof may be selected.

また、発光ダイオードチップが、発光ダイオードチップからの光が窒化珪素やサファイアなどの基板を介して発せられる構造を有する場合、つまり、発光ダイオードチップ上にこれらの基板が設置された構造を有する場合には、これらの基板上に被覆層を設けても良く、このような発光ダイオード素子も、本発明の範囲に含まれる。   Further, when the light-emitting diode chip has a structure in which light from the light-emitting diode chip is emitted through a substrate such as silicon nitride or sapphire, that is, in a case where these substrates are installed on the light-emitting diode chip. May be provided with a coating layer on these substrates, and such a light emitting diode element is also included in the scope of the present invention.

以下、本発明の実施の形態を図1、2および表1に基づいて説明する。図1は発光ダイオード装置の断面図であり、図2は透明樹脂を発光ダイオード素子上に形成した発光ダイオード装置の説明図である。表1は、実施例1〜6及び比較例を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of a light emitting diode device, and FIG. 2 is an explanatory view of the light emitting diode device in which a transparent resin is formed on a light emitting diode element. Table 1 shows Examples 1 to 6 and Comparative Examples.

実施例の発光ダイオード装置10は、アルミナ基板1と、アルミナ基板1上に配置された窒化ガリウム系材料から成る屈折率が3である発光ダイオードチップ2aと、発光ダイオードチップ2a上に被覆層2bを備えている。尚、発光ダイオード素子2は、発光ダイオードチップ2aと被覆層2bとからなる。   The light emitting diode device 10 of the embodiment includes an alumina substrate 1, a light emitting diode chip 2a having a refractive index of 3 made of a gallium nitride material disposed on the alumina substrate 1, and a coating layer 2b on the light emitting diode chip 2a. I have. The light emitting diode element 2 includes a light emitting diode chip 2a and a covering layer 2b.

実施例1、2の被覆層2bは、重量%表示でSiO2を60%、Al23を15%、B23を10%、CaO、SrO、BaOを合計で15%含有する珪酸塩系多成分ガラスの単層構造を有し、その光弾性定数は3(nm/cm)/(kg/cm2)、屈折率が1.5であり、屈折率の温度係数が8×10-6/℃であった。 Coating layer 2b in Examples 1 and 2, the SiO 2 60% by weight percentage, the Al 2 O 3 15%, B 2 O 3 and 10%, CaO, SrO, silicic acid containing 15% total of BaO It has a single-layer structure of a salt-based multicomponent glass, its photoelastic constant is 3 (nm / cm) / (kg / cm 2 ), its refractive index is 1.5, and its temperature coefficient is 8 × 10 -6 / ° C.

尚、実施例1、2の被覆層2bは、アルミナ基板1上に配置した発光ダイオードチップ2aをスパッタリング装置のチャンバー内に配置し、上記ガラス組成を有するガラスターゲットを用いてArガス中でスパッタすることによって発光ダイオードチップ2a上に形成した。   In the coating layers 2b of Examples 1 and 2, the light emitting diode chip 2a disposed on the alumina substrate 1 is disposed in the chamber of the sputtering apparatus, and sputtered in Ar gas using a glass target having the above glass composition. This was formed on the light emitting diode chip 2a.

また、実施例3の被覆層2bは、AD法によって形成された非晶質のAl23のみからなる単層構造を有し、屈折率が1.7であり、屈折率の温度係数が13×10-6/℃であった。 Further, the coating layer 2b of Example 3 has a single layer structure made of only amorphous Al 2 O 3 formed by the AD method, has a refractive index of 1.7, and has a refractive index temperature coefficient of It was 13 × 10 −6 / ° C.

実施例4は、単層のAl23からなる被覆層の外側に屈折率が1.5の透明樹脂層3(図2)が形成されている以外は、実施例3と同様に構成されている。 Example 4 is configured in the same manner as Example 3 except that a transparent resin layer 3 (FIG. 2) having a refractive index of 1.5 is formed on the outside of a coating layer made of a single layer of Al 2 O 3 . ing.

実施例5の被覆層2bは、蒸着法によって形成されたMgF2のみからなる単層構造を有し、屈折率が1.4であり、屈折率の温度係数が2.3×10-6/℃であった。 The coating layer 2b of Example 5 has a single layer structure made of only MgF 2 formed by vapor deposition, has a refractive index of 1.4, and a refractive index temperature coefficient of 2.3 × 10 −6 / ° C.

実施例6の被覆層2bは、ゾルゲル法によって形成されたSiO2のみからなる単層構造を有し、屈折率が1.5であり、屈折率の温度係数が12×10-6/℃であった。 The coating layer 2b of Example 6 has a single layer structure made of only SiO 2 formed by the sol-gel method, has a refractive index of 1.5, and a refractive index temperature coefficient of 12 × 10 −6 / ° C. there were.

比較例は、上記被覆層2bを形成していない事以外は、実施例と同様に構成されている。   The comparative example is configured in the same manner as the example except that the coating layer 2b is not formed.

表1から明らかなように、実施例1〜6の発光効率(光の取り出し効率)は、比較例よりも約9〜20%向上している。特に実施例1〜5においては、比較例よりも発光効率が11%以上向上している。これは屈折率が3である発光ダイオードチップと屈折率が1である空気の間に、屈折率が1.4〜1.7の被覆層が形成され、緩衝層効果に加え、光学干渉効果の発現により、発光ダイオードチップからの光の取り出し効率が向上した結果であると思われる。尚、実施例6の発光効率は、比較例よりも約9%向上しているが、これは透明樹脂による緩衝層(バッファ層)効果だけによるものであると思われる。   As is apparent from Table 1, the light emission efficiency (light extraction efficiency) of Examples 1 to 6 is improved by about 9 to 20% as compared with the comparative example. In particular, in Examples 1 to 5, the light emission efficiency is improved by 11% or more than the comparative example. This is because a coating layer having a refractive index of 1.4 to 1.7 is formed between a light-emitting diode chip having a refractive index of 3 and air having a refractive index of 1, which provides an optical interference effect in addition to the buffer layer effect. It seems that this is the result of improved light extraction efficiency from the light-emitting diode chip. The luminous efficiency of Example 6 is about 9% higher than that of the comparative example, which is considered to be due only to the buffer layer (buffer layer) effect of the transparent resin.

また、実施例1、2は、被覆層の屈折率の温度係数の絶対値が小さく、さらに光弾性定数が小さいことに起因して熱応力による屈折率変化も小さいため、発光ダイオードチップの発熱によって温度が上昇した場合でも、実質的に光の取り出し効率が変化することはない。さらに、被覆層は、安定な珪酸塩系多成分ガラスから成るため、熱的にも化学的にも耐久性が高く、発光ダイオードチップからの光や熱、あるいは周囲環境の水分などに対しても極めて良好な耐久性を示す。なお、被覆層を多層化し、発光ダイオード素子と空気の間の屈折率勾配をより緩やかにすることで、さらに取り出し効率を向上させることも可能なことは勿論である。   In Examples 1 and 2, since the absolute value of the temperature coefficient of the refractive index of the coating layer is small and the change in the refractive index due to thermal stress is small due to the small photoelastic constant, the light emitting diode chip generates heat. Even when the temperature rises, the light extraction efficiency does not substantially change. Furthermore, since the coating layer is made of a stable silicate-based multicomponent glass, it has high thermal and chemical durability, and is resistant to light and heat from the light-emitting diode chip or moisture in the surrounding environment. Very good durability. Of course, it is possible to further improve the extraction efficiency by making the coating layer multi-layered and making the refractive index gradient between the light emitting diode element and air gentler.

また、図2に示すように、光の取り出し側(被覆層の空気側)に空気以外の物質、例えば透明樹脂3等を配置しても同様の効果が得られる。この場合、被覆層2bの屈折率は、発光ダイオードチップ2aの屈折率と透明樹脂3等の屈折率との間の屈折率となるように選択される(例えば実施例4)。   Further, as shown in FIG. 2, the same effect can be obtained even if a substance other than air, for example, the transparent resin 3 or the like is arranged on the light extraction side (the air side of the coating layer). In this case, the refractive index of the covering layer 2b is selected to be a refractive index between the refractive index of the light emitting diode chip 2a and the refractive index of the transparent resin 3 or the like (for example, Example 4).

尚、発光効率の測定は、発光ダイオード装置10に、3.5Vの電圧を印加し、300mAの電流を流した際に得られる波長470nmの発光を積分球内に導入し、光束を測定することによって行った。   The light emission efficiency is measured by applying a voltage of 3.5 V to the light emitting diode device 10 and introducing light of a wavelength of 470 nm obtained when a current of 300 mA is passed into the integrating sphere to measure the luminous flux. Went by.

以上説明したように、本発明によると、発光ダイオードチップや基板に微細加工を施すことや追加の光学部材を必要とせず、発光ダイオードチップからの発熱によっても実質的に反射防止効果が変化しない耐久性の高い被覆層を低温プロセスによって形成することが可能となり、光の取り出し効率の高い発光ダイオード素子およびそれを用いた発光ダイオード装置を提供することが可能となるため、高い発光効率を有する表示装置や照明器具の製造に対して極めて有効である。   As described above, according to the present invention, the light-emitting diode chip and the substrate need not be finely processed and no additional optical member is required, and the antireflection effect is not substantially changed by the heat generated from the light-emitting diode chip. A high-efficiency coating layer can be formed by a low-temperature process, and a light-emitting diode element with high light extraction efficiency and a light-emitting diode device using the same can be provided. And is extremely effective for the manufacture of lighting equipment.

本発明における発光ダイオード装置の説明図である。It is explanatory drawing of the light emitting diode apparatus in this invention. 透明樹脂を発光ダイオード素子上に形成した本発明における発光ダイオード装置の説明図である。It is explanatory drawing of the light emitting diode apparatus in this invention which formed transparent resin on the light emitting diode element.

符号の説明Explanation of symbols

1 アルミナ基板
2 発光ダイオード素子
2a 発光ダイオードチップ
2b 被覆層
3 透明樹脂
10 発光ダイオード装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alumina substrate 2 Light emitting diode element 2a Light emitting diode chip 2b Covering layer 3 Transparent resin 10 Light emitting diode device

Claims (10)

発光ダイオードチップと、その表面に形成された被覆層とを備えた発光ダイオード素子において、被覆層は、発光ダイオードチップから出射される光に対する反射防止機能を備え、厚さが50μm以下であり、かつ、屈折率の温度係数の絶対値が15×10-6/℃以下であることを特徴とする発光ダイオード素子。 In a light emitting diode element comprising a light emitting diode chip and a coating layer formed on the surface thereof, the coating layer has an antireflection function for light emitted from the light emitting diode chip, has a thickness of 50 μm or less, and A light-emitting diode device having an absolute value of a temperature coefficient of refractive index of 15 × 10 −6 / ° C. or less. 被覆層が単層からなり、被覆層の屈折率が発光ダイオードチップの屈折率よりも小さく、被覆層の外側の層又は空気の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード素子。   2. The light emitting device according to claim 1, wherein the coating layer is a single layer, and the refractive index of the coating layer is smaller than the refractive index of the light emitting diode chip and larger than the refractive index of a layer outside the coating layer or air. Diode element. 発光ダイオードチップから出射される光の波長をλ、被覆層の肉厚をd、被覆層の屈折率をnとしたとき、nd=aλ/4(aは1以上の奇数)の関係を満たすことを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオード素子。   When the wavelength of light emitted from the light emitting diode chip is λ, the thickness of the coating layer is d, and the refractive index of the coating layer is n, the relationship of nd = aλ / 4 (a is an odd number of 1 or more) is satisfied. The light-emitting diode element according to claim 2. 発光ダイオードチップの屈折率をn1、被覆層のよりも外側にある層又は空気の屈折率をn2とし、被覆層の屈折率n3=(n1×n2)0.5+A(n1−n2)とした時、Aが−0.35〜+0.55であることを特徴とする請求項2又は3に記載の発光ダイオード素子。 When the refractive index of the light emitting diode chip is n1, the refractive index of the layer or air outside the coating layer is n2, and the refractive index of the coating layer is n3 = (n1 × n2) 0.5 + A (n1−n2), The light emitting diode element according to claim 2 or 3, wherein A is -0.35 to +0.55. 被覆層が複層からなり、各層の屈折率が発光ダイオードチップに近い側から逐次的に減少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素子。   The light emitting diode element according to claim 1, wherein the coating layer is formed of a plurality of layers, and the refractive index of each layer is sequentially decreased from the side closer to the light emitting diode chip. 被覆層が珪酸塩系多成分ガラス、ホウ酸塩系多成分ガラスもしくは燐酸塩系多成分ガラスからなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の発光ダイオード素子。   6. The light emitting diode device according to claim 1, wherein the coating layer is made of a silicate multicomponent glass, a borate multicomponent glass, or a phosphate multicomponent glass. 被覆層が複層からなり、少なくとも発光ダイオードチップに接触する層がアルカリ金属元素及びハロゲン元素を実質的に含有しない珪酸塩系多成分ガラスからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の発光ダイオード素子。   The covering layer is composed of a plurality of layers, and at least the layer in contact with the light-emitting diode chip is composed of a silicate-based multicomponent glass substantially not containing an alkali metal element and a halogen element. The light emitting diode element as described in. 被覆層は、光弾性定数が10(nm/cm)/(kg/cm2)以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の発光ダイオード素子。 The light emitting diode element according to claim 1, wherein the coating layer has a photoelastic constant of 10 (nm / cm) / (kg / cm 2 ) or less. 被覆層の各層がスパッタリング法、蒸着法、CVD法、CSD法、LPE法、AD法またはゾルゲル法から選択された少なくとも一種類の方法によって形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の発光ダイオード素子。   Each of the coating layers is formed by at least one method selected from sputtering, vapor deposition, CVD, CSD, LPE, AD, or sol-gel method. The light emitting diode element in any one. 請求項1〜9のいずれかに記載の発光ダイオード素子を用いてなることを特徴とする発光ダイオード装置。   A light-emitting diode device comprising the light-emitting diode element according to claim 1.
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