JP4984824B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子の表面に高屈折率層が形成された発光装置に関する。
従来から、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等の発光素子をエポキシ等の透光性樹脂材料で封止した発光装置が知られている。この種の発光装置では、発光素子の表面部分の屈折率が透光性樹脂材料の屈折率よりも高いため、発光素子と封止部材との界面において全反射の条件が成立する角度範囲が存在し、この角度範囲内で素子内部から当該界面へ入射する光については発光素子から取り出すことができない。
発光素子からの光の取り出し効率を改善した発光装置として、特許文献１に記載のものが知られている。この発光装置によれば、発光素子の周囲をポリビニルカルバゾール等からなる第１の樹脂で封止し、第１の樹脂の外側をエポキシからなり第１の樹脂よりも屈折率の低い第２の樹脂で封止している。これにより、発光素子をエポキシ系樹脂のみにより封止した場合に比して、素子からの光取り出し効率が向上している。
また、発光素子の表面に蛍光体粒子を含有するコーティング層を形成した発光装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。蛍光体粒子により、発光素子から発せられる光の一部が変換され、発光素子から発せられる光と蛍光体粒子から発せられる光の組合せにより、白色光が得られるようになっている。特許文献２では、発光特性の改善を目的としてコーティング層に微粒子を含有させ、微粒子が密集して存在する領域と、微粒子が散在して存在する領域とを形成している。
特開平１０−６５２２０号公報 特開２００３−２４３７２７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、発光素子の周囲を覆う第１の樹脂の屈折率が発光素子の表面部分の屈折率よりも小さいことから、全反射の条件が成立する角度域が依然として存在している。従って、素子からの光の取り出し効率に改善の余地が残っている。
また、特許文献２に記載の発光装置では、蛍光体粒子の周囲における微粒子の量を調整しているので、微粒子が散在して存在する領域においては、発光素子の表面が樹脂の封止材で覆われており、発光素子からの光取り出し効率が特に改善されているわけではない。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学素子からの光取り出し効率を向上させることのできる発光装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、発光素子と、前記発光素子を封止する封止部材と、前記封止部材に含有され、前記発光素子から発せられた光により励起されると波長変換光を発する多数の蛍光体と、前記発光素子の表面部分を覆い、当該表面部分よりも高い屈折率の透明な多数の微粒子からなる高屈折率層と、を備え、前記多数の蛍光体と前記多数の微粒子とは、母体が共通であることを特徴とする発光装置が提供される。
この発光装置によれば、微粒子の屈折率が発光素子の表面部分よりも高いので、発光素子内部から高屈折率層の微粒子に入射する光は、発光素子と高屈折率層の界面で反射することなく取り出される。そして、高屈折率層の微粒子へ進入した光は、微粒子における封止部材との界面から封止部材へ放出される。封止部材へ放出された光のうち蛍光体へ入射した光は、蛍光体により波長変換された後、発光装置から取り出される。
また、上記発光装置において、
前記蛍光体と前記微粒子とは、母体が共通であることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記微粒子は、球形であることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記発光素子は、成長基板上に成長された半導体層と、当該半導体層を覆うパッシベーション膜と、を有するフェイスアップ型であり、
前記高屈折率層は、前記パッシベーション膜上に形成されることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記パッシベーション膜は、ＳｉＯ２からなることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記発光素子は、半導体層が成長される成長基板を有するフリップチップ型であり、
前記高屈折率層は、前記成長基板上に形成されることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記成長基板は、サファイアからなることが好ましい。
また、上記発光装置において、
前記微粒子の外形の寸法は、前記発光素子から発せられる光の波長よりも小さいことが好ましい。
本発明によれば、発光素子と微粒子の界面で素子内部の光を反射させずに取り出すことができ、光学素子からの光取り出し効率を向上させることができる。
図１から図５は本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の外観斜視図である。
図１に示すように、発光装置１は、発光素子としてのＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２が搭載される反射ケース３と、を有している。反射ケース３は、ＬＥＤ素子２を包囲する反射壁３ａを有し、反射壁３ａの上端にて光取り出し用の開口３ｂが形成される。反射ケース３の底面にはＬＥＤ素子２の電極と接続される負極リード４及び正極リード５が配される。図１に示すように、負極リード４及び正極リード５は、反射ケース３の外部まで形成されている。反射ケース３における反射壁３ａの内部には、ＬＥＤ素子２を封止する封止部材６が充填されている。
図２は発光装置の模式縦断面図である。
図２に示すように、発光装置１は、ＬＥＤ素子２の表面を覆う高屈折率層７を有する。後述するように、高屈折率層７は、透明な微粒子７ａから構成される。また、封止部材６中は蛍光体８を含有し、封止部材６の成形時に蛍光体８を沈降させることで、各リード４，５及びＬＥＤ素子２の一部が蛍光体８の粒子により覆われている。
ここで、本実施形態のＬＥＤ素子２について図３を参照して説明する。図３は発光装置における素子実装部分の拡大模式断面図である。ＬＥＤ素子２は、フリップチップ型であり、成長基板２１にバッファ層２２、ｎ型層２３、ＭＱＷ（multiple-quantum well）層２４及びｐ型層２５がこの順に形成されている。すなわち、成長基板２１が主発光面となっている。そして、ｐ電極２６がｐ型層２５上に形成され、ｎ電極２７がｎ型層２３上に形成される。ＬＥＤ素子２は、青色領域にピーク波長を有する光をＭＱＷ層２４から出射する。
本実施形態においては、成長基板２１として、屈折率が１．７７のサファイア基板が用いられる。尚、成長基板２１はこれに限定されることはなく、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、III族窒化物系化合物半導体単結晶等からなる基板を用いてもよい。
また、バッファ層２２は、ＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成される。バッファ層２２はこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いてもよいし、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハイドライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いてもよい。
ｎ型層２３は、ｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｎ型層２３をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型層２３にｎ型不純物としてＳｉをドープしているが、ｎ型不純物としてＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いてもよい。
ＭＱＷ層２４は、所定のペアのＱＷ（quantum well）からなり、複数の青色発光層と、各青色発光層の間に介在するバリア層と、を有している。各青色発光層はＩｎＧａＮからなり、各バリア層はＧａＮからなり、各青色発光層からはピーク波長が４６０ｎｍの光が発せられる。
ｐ型層２５は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｐ型層２５をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｐ型不純物としてＭｇをドープしているが、ｐ側不純物としてＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いてもよい。
ｐ電極２６は金を含む材料で構成されており、ｐ型層２５上に蒸着により形成される。また、ｎ電極２７は、ＡｌとＶの２層で構成される。具体的には、ｐ型層２５を形成した後、ｐ型層２５、ＭＱＷ層２４及びｎ型層２３の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりｎ型層２３上に形成される。
このように構成されたＬＥＤ素子２は、反射ケース３の底部にフリップチップ実装され、Ａｕバンプ９により各電極２６，２７が各リード４，５に接続される。ここで、図３においては、ＬＥＤ素子２を各リード４，５に直接的に接続しているものを示しているが、過電流によるＬＥＤ素子２の保護を目的として、ＬＥＤ素子２と各リード４，５の間にツェナーダイオードを介在させてもよい。
図３に示すように、ＬＥＤ素子２の表面は、透明な微粒子７ａの集合体である高屈折率層７により覆われている。これにより、フリップチップ型のＬＥＤ素子２における主発光面であるサファイア基板（成長基板２１）が、高屈折率層７により覆われている。尚、ここでいう「透明」とは、ＬＥＤ素子２の発光波長に対して吸収がないことをいう。微粒子７ａは、母体がＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系材料で付活されておらず、屈折率が１．８３で平均粒径は１０ｎｍである。微粒子７ａは、サファイアからなる成長基板２１より屈折率が高く、シリコーンからなる封止部材６より屈折率が高くなっている。ここで、微粒子７ａは、ＬＥＤ素子２の発光波長の１／４以下とすることが好ましい。すなわち、本実施形態においては、微粒子７ａを発光波長の４６０ｎｍの１／４である１１５ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、高屈折率層７は、厚さが１μｍとなっている。尚、高屈折率層７は、１ｎｍ〜１０μｍの範囲で適宜に変更することができる。高屈折率層７は、封止部材６の成形時に、微粒子７ａを封止部材６に含有させて沈降させることにより、ＬＥＤ素子２の表面に層をなして付着する。尚、微粒子７ａを封止前にＬＥＤ素子２に付着させてもよく、高屈折率層７の形成方法は適宜に変更することが可能である。
封止部材６は、例えば、透明樹脂、ガラス等からなり、反射ケース３の内部に充填される。本実施形態においては、封止部材６は、屈折率が１．４１のシリコーンからなる。封止部材６に含有される蛍光体８は、例えばセリウムにより付活されたＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）からなる黄色蛍光体である。すなわち、蛍光体８は、微粒子７ａと母体が共通となっている。蛍光体８は、ＬＥＤ素子２から発せられた青色光により励起されると、波長変換光として黄色光を発する。蛍光体８は、屈折率が１．８３で平均粒径が１０μｍであり、ＬＥＤ素子２の表面の一部を覆っている。すなわち、図４に示すように、多数の微粒子７ａからなる高屈折率層７に、蛍光体８の粒子が入り込んだ状態となっている。尚、蛍光体８の平均粒径は、１μｍ〜３０μｍの範囲で適宜に変更することができる。
以上のように構成された発光装置１では、各リード４，５を通じてＬＥＤ素子２に通電するとＭＱＷ層２４から青色光が発せられ、この青色光の一部が蛍光体８により波長変換されて黄色光となり、青色光と黄色光の組合せにより白色光が開口３ｂから取り出される。
このとき、微粒子７ａの屈折率がＬＥＤ素子２の表面部分である成長基板２１よりも高いので、ＬＥＤ素子２の内部から高屈折率層７の微粒子７ａに入射する光について全反射の条件が成立することはなく、図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子２と微粒子７ａの界面で素子内部の光を反射させずに取り出すことができる。特に、本実施形態においては、屈折率が１．７７のサファイアからなり主発光面をなす成長基板２１が高屈折率層７により覆われていることから、大部分の光を全反射なく取り出すことが可能である。尚、微粒子７ａが存在しない場合、全反射の条件が成立する角度域において、図５（ｂ）に示すように素子内部の光を取り出すことができない。そして、高屈折率層７の微粒子７ａへ進入した光は、微粒子７ａにおける封止部材６との界面から封止部材６へ放出される。
このように、本実施形態の発光装置１によれば、ＬＥＤ素子２微粒子７ａの界面でＬＥＤ素子２の内部の光を反射させずに取り出すことができ、ＬＥＤ素子２からの光取り出し効率を向上させることができる。
また、本実施形態の発光装置１によれば、微粒子７ａが球形であることから、微粒子７ａと封止部材６との界面に、全反射の条件の臨界角を超えて光が入射することはなく（図５（ａ）参照）、ＬＥＤ素子２から微粒子７ａへ進入した光を全て取り出すことができる。封止部材６へ放出された光のうち蛍光体８へ入射した光は、蛍光体８により波長変換された後、開口３ａから取り出される。
さらに、本実施形態の発光装置１によれば、微粒子７ａの直径がＬＥＤ素子２にて発せられる青色光の波長よりも小さいため、発光光が微粒子７ａと干渉することなく封止部材６の方向へ放出され、光の取り出し効率が格段に向上する。また、微粒子７ａを直径１０ｎｍとしているので、例えば蛍光体８のような直径２０μｍ程度の粒子を用いて高屈折率層７を構成した場合に比して、ＬＥＤ素子２の表面を隙間なく覆うことができる。
さらにまた、本実施形態の発光装置１によれば、蛍光体８と微粒子７ａとは母体が共通であることから、高屈折率層７に蛍光体８が存在しＬＥＤ素子２の一部が蛍光体８により覆われることになっても、微粒子７ａと蛍光体８とで屈折率の差がないことから、蛍光体８とＬＥＤ素子２との接触部分における光取り出し効率は微粒子７ａと変化しない。そして、蛍光体８をＬＥＤ素子２に近接させることにより、開口３ｂから取り出される光の色むらを低減することができる。
尚、前記実施形態においては、蛍光体８が封止部材６内で沈降したものを示したが、例えば図６に示すように、蛍光体８が封止部材６内で分散されているものであってもよい。
また、例えば図７に示すように、ＬＥＤ素子２を封止する第１封止部材６ａと、蛍光体８を含有する第２封止部材６ｂとを別個に形成してもよい。図７の発光装置１では、第１封止部材６ａを微粒子７ａが沈降した状態で成形し、第１封止部材６ａ上に蛍光体８が沈降した状態で第２封止部材６ｂを成形している。ここで、第１封止部材６ａと第２封止部材６ｂとは同じ材質からなり、各封止部材６ａ，６ｂの界面で反射、屈折等が生じないものとなっている。
さらに、蛍光体８を用いることなく、ＬＥＤ素子２の光を波長変換することなく取り出すようにしてもよい。
また、前記実施形態においては、青色のＬＥＤ素子２と、黄色の蛍光体８との組合せにより白色光を得るものを示したが、例えば、紫外のＬＥＤ素子と、紫外光により励起されて青色光を発する青色蛍光体、紫外光により励起されて緑色光を発する緑色蛍光体及び紫外光により励起されて赤色光を発する赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。
また、前記実施形態においては、フリップチップ型のＬＥＤ素子２が実装されたものを示したが、例えば図８に示すように、フェイスアップ型のＬＥＤ素子１０２が実装された発光装置１０１であってもよい。図９に示すように、このＬＥＤ素子１０２は、成長基板１２１にバッファ層１２２、ｎ型層１２３、ＭＱＷ層１２４及びｐ型層１２５がこの順に形成され、ｐ型層１２５上には透光性電極１２６を介してｐ側パッド電極１２８が形成される。透光性電極１２６とｐ側パッド電極１２８とでｐ電極１３０を構成している。また、ｐ型層１２５、ＭＱＷ層１２４及びｎ型層１２３の一部はエッチングにより除去され、ｎ型層１２３のエッチング部分にｎ電極１２７が形成されている。さらに、ＬＥＤ素子１０２の電極形成面側は、屈折率が１．４６のＳｉＯ２からなるパッシべーション膜１２９が形成され、パッシベーション膜１２９が主発光面をなしている。尚、図９に示すように、パッシベーション膜１２９はＬＥＤ素子１０２におけるｎ電極１２７と反対側の側面にも形成されている。そして、このパッシべーション膜２９上に高屈折率層７が形成される。
この発光装置１０１によれば、微粒子７ａの屈折率がＬＥＤ素子２の表面部分であるパッシベーション膜１２９よりも高いので、ＬＥＤ素子２の内部から高屈折率層７の微粒子７ａに入射する光について、全反射の条件が成立することはなく、ＬＥＤ素子２と微粒子７ａの界面で素子内部の光を反射させずに取り出すことができる。
また、前記実施形態においては、微粒子７ａとしてＹＡＧを用いたものを示したが、微粒子として、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、炭化シリコン、ＧａＮ系、サイアロン系、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系材料等を用いてもよい。要は、微粒子をＬＥＤ素子２の表面部分よりも屈折率の高い材料であればよい。ここで、蛍光体８として例えばユーロピウム等で付活されたＢＯＳ系またはサイアロン系の材料が用いられている場合は、微粒子７ａとして蛍光体８の母体と共通のＢＯＳ系またはサイアロン系の材料を用いることが好ましい。
また、前記実施形態においては、表面実装型の発光装置を例示したが、例えば、砲弾型やサイドビュー型の発光装置であっても本発明を適用可能であるし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
本発明の一実施形態を示す発光装置の外観斜視図である。 発光装置の模式縦断面図である。 発光装置における素子実装部分の拡大模式断面図である。 ＬＥＤ素子表面における微粒子及び蛍光体の接触状態を示す説明図である。 ＬＥＤ素子表面における光の進路を示す説明図である。 変形例を示す発光装置の模式縦断面図である。 変形例を示す発光装置の模式縦断面図である。 変形例を示す発光装置の模式縦断面図である。 変形例を示す発光装置における素子実装部分の拡大模式断面図である。
符号の説明
１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 反射ケース
３ａ 反射壁
３ｂ 開口
４ 正極リード
５ 負極リード
６ 封止部材
６ａ 第１封止部材
６ｂ 第２封止部材
７ 高屈折率層
７ａ 微粒子
８ 蛍光体
１２ ＬＥＤ素子
２１ 成長基板
２２ バッファ層
２３ ｎ型層
２４ ＭＱＷ層
２５ ｐ型層
２６ ｐ電極
２７ ｎ電極
１０１ 発光装置
１０２ ＬＥＤ素子
１２１ 成長基板
１２２ バッファ層
１２３ ｎ型層
１２４ ＭＱＷ層
１２５ ｐ型層
１２６ 透光性電極
１２７ ｎ電極
１２８ ｐ側パッド電極
１２９ パッシベーション膜
１３０ ｐ電極

Claims (7)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子を封止する封止部材と、
    前記封止部材に含有され、前記発光素子から発せられた光により励起されると波長変換光を発する多数の蛍光体と、
    前記発光素子の表面部分を覆い、当該表面部分よりも高い屈折率の透明な多数の微粒子からなる高屈折率層と、を備え、
    前記多数の蛍光体と前記多数の微粒子とは、母体が共通であることを特徴とする発光装置。
  2. 前記多数の微粒子は、球形であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記発光素子は、成長基板上に成長された半導体層と、当該半導体層を覆うパッシベーション膜と、を有するフェイスアップ型であり、
    前記高屈折率層は、前記パッシベーション膜上に形成されることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の発光装置。
  4. 前記パッシベーション膜は、ＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
  5. 前記発光素子は、半導体層が成長される成長基板を有するフリップチップ型であり、
    前記高屈折率層は、前記成長基板上に形成されることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の発光装置。
  6. 前記成長基板は、サファイアからなることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
  7. 前記多数の微粒子の外形の寸法は、前記発光素子から発せられる光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光装置。
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