JP5905648B2 - 半導体を利用した発光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、半導体を利用した発光デバイスに関する。詳しくは、充分な発光効率を有し、長時間安定して光を放出可能な半導体を利用した発光デバイスに係るものである。
ＬＥＤ素子（発光ダイオード）は、電圧の印加により発光する半導体素子であり、高輝度かつ長寿命であることや、不要な紫外線や赤外線を含まない光が得られるといった特徴から広く用いられている。用途としては、照明器具をはじめ、自動車のヘッドライト、電子機器のバックライト及び各種ディスプレイなどに応用されている。
ＬＥＤ素子から放出される光は、半導体を構成する化合物のバンドギャップに対応する周波数の単色光である。よって、放出される光の波長は化合物の種類に応じて変化するため、多様な発光色を発するＬＥＤ素子が製造されている。化合物として、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ｎ（窒素）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＰ（リン）等が使用される。
また、液晶装置用バックライト、照明などに広く使われる白色ＬＥＤ発光素子は、青色光を放出する半導体発光素子と、緑、赤、黄色蛍光体などを組み合わせる事で実現している。蛍光体の種類には、無機蛍光体、有機蛍光体、半導体から構成される量子ドット蛍光体（以下、半導体量子ドットと称する。）が存在する。
これら蛍光体の中で、半導体量子ドットは、最大粒子径が５０ｎｍ以下の非常に小さな半導体粒子をいう。半導体量子ドットは、バンドキャップ（価電子帯及び伝導帯のエネルギー差）より大きなエネルギーの光子を吸収し、その粒径に応じた波長の光を放出する。つまり、一定以下の波長の光を吸収する性質を持ち、粒径を制御することで様々な波長の光を発生させることができる。
また、半導体量子ドットは、化合物半導体励起子のボーア半径より小さい領域で量子閉じ込め効果を示し、高い蛍光効率を実現することができる。ここで蛍光効率とは、半導体量子ドットに入力した光の光子数に対する、発光した蛍光の光子数の比をさす。また、発光効率とは、発光デバイス全体が一定のエネルギーで生じることが可能な明るさの指標をさす。
半導体量子ドットを用いた発光デバイスでは、光源が放出した光は、その一部が量子ドット蛍光体により所定の波長の光に変換され、一部がそのまま放出される。この２種類の光が混合されて、人間の視覚には自色光として認識される。こうしたなか、半導体量子ドットを用いて、所望の波長の光を放出することのできる発光デバイスに関する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
一方で、半導体量子ドットの蛍光効率は、表面構造や表面結晶性などの表面特性に依存する。半導体量子ドットは、粒子サイズが数十ｎｍと非常に小さいため、体積に対する表面積の割合が非常に大きな粒子である。そのため、半導体量子ドットの表面は欠陥が生じやすいものとなっている。
半導体量子ドットの表面に生じた欠陥は、バンドギャップ間に存在するさまざまなエネルギートラップとして働き、装置全体としての発光効率の低下につながる。具体的には、表面に発生したダングリングボンド（原子の未結合手）や原子空孔により電荷の偏りが発生し、励起した電子がトラップされるため、蛍光効率が低下してしまう。
半導体量子ドットの表面の欠陥により蛍光効率が低下し、光源からの光は波長変換されにくくなってしまう。結果として、装置全体で発光効率が低下することになる。また、半導体量子ドットの表面の欠陥の原因として、様々な外的要因の影響が考えられるが、現在のところ、その主たる要因は明確にされていない。
こうしたなか、半導体量子ドットの表面の欠陥は、酸素による表面の酸化が主な要因であるとして、酸素と半導体量子ドットの接触を低減させた発光デバイスが提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
詳しくは、特許文献３には、図９に示すような、発光デバイス４００が記載されている。この発光デバイス４００は、樹脂製のパッケージ４０１と、リードフレーム４０２と、リードフレームに設置された半導体発光素子４０３を有している。
また、発光デバイス４００は、半導体発光素子４０３を覆うように形成された樹脂部４０４を有している。樹脂部４０４は、半導体量子ドット４０５と、酸素を吸着するゲッター粒子４０６を含んでいる。
特許文献３に記載の発光デバイス４００は、ゲッター粒子４０６が、樹脂部４０４に侵入してくる酸素を吸着することで、半導体量子ドット４０５の表面と接触する酸素量を低減させるものとなっている。
特開２０１１−１４２３３６号公報 特開２０１２−１９１１４４号公報 国際公開第２０１２／１３２２３６号
ここで、本発明者らは、半導体量子ドットの表面の欠陥は、表面の酸化ではなく、空気中の水分により生じるものと推測し、鋭意検討を行った。具体的には、空気中の水分が装置内部に侵入し、半導体量子ドットの表面のＺｎＳ（硫化亜鉛）から構成されたシェル部分と接触して、シェルが溶解または分解することで表面の欠陥が生じるものと考えた。
半導体量子ドットは、コアシェル型半導体量子ドットと呼ばれる構造を有している。この構造は、発光部としてのコアが保護膜としてのシェルにより被膜されたものである。例えば、コアにはＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、シェルにはＺｎＳが使用可能である。ＣｄＳｅの粒子の表面欠陥がバンドギャップの大きいＺｎＳにより被膜されることで量子収率が向上する。
発光デバイスの発光効率の低下の原因を確かめるために、以下の試験を行った。この試験では、装置の発光効率の低下は酸素ではなく、水分が原因であることを明らかにした。
図１は、湿度に関する試験に用いた発光デバイスの構造を示す概略図である。図２は、湿度に関する発光寿命試験結果を示したグラフである。以下、試験に用いた発光デバイスの構造について説明する。
図１に示すように、発光デバイス１は、パッケージ１０の凹部底面に青色光を発光する半導体発光素子２００を設置している。また、半導体量子ドット１０１をシリコーン樹脂７０に混合させてパッケージ１０に充填した構造となっている。
また、パッケージ１０の凹部裏面に電源端子２０１を設けて、電源端子２０１から電圧を印加して電流を流すことで半導体発光素子２００を発光させる。
以下、試験の概要について説明する。
発光デバイス１を用いて、次の条件下での発光寿命試験を行った。２つの発光デバイス１を準備して、一方の装置は温度６０℃、湿度９０％の条件下、他方の装置は、温度６０℃、加湿なしの条件下でそれぞれ、耐久試験機内に一定時間載置した。
また、試験開始から一定時間経過後に耐久試験機から発光デバイスを取り出し、全光束測定システムを用い、各装置が放出する光のエネルギー強度を測定した。本試験の結果を図２及び表１に示す。なお、装置内への酸素の侵入に関する条件は、２つの条件で略同等のものとなっている。
Figure 0005905648
図２は、前述したように、加湿の有無の２種類の条件による発光デバイス１の発光寿命試験結果を示したグラフである。図２のグラフ曲線３０５は、温度６０℃、加湿なしの条件下の装置の結果、グラフ曲線３０６は、温度６０℃、湿度９０％の条件下の装置の結果である。また、表１は、各測定時間において、サンプルが示す光のエネルギー強度を数値で示した結果となっている。
図２に示すように、温度６０℃、加湿なしの条件下の発光デバイスでは、試験開始１００時間経過後も、一定値以上のエネルギー強度の光が放出されていた。即ち、発光デバイス１の発光効率の低下が確認されなかった。
一方、温度６０℃、湿度９０％の条件下の発光デバイスでは、試験開始約２０時間後をピークに、光のエネルギー強度が低下しており、試験開始４９時間経過後までに、著しい発光効率の低下が見られた。
なお、本試験では、半導体量子ドット１０１の蛍光効率が低下することで、発光デバイス１全体での発光効率は下がり、光源となる半導体発光素子２００が放出する光のみでは、光のエネルギー強度は非常に低い値を示すものとなっている。即ち、光のエネルギー強度が低いサンプルでは、半導体量子ドットの表面に欠陥が生じていることになる。
以上の試験結果から、半導体量子ドットを用いた発光デバイスでは、湿度、即ち、環境下の水分の存在により発光効率が低下することが明らかとなった。また、２種類の条件下では、装置内部への酸素の侵入は変わらないことから、酸素よりも水分が、発光デバイスの発光効率の低下に大きく影響することが明らかとなった。
半導体量子ドットのシェル部分が環境中の水分と接触することで、ＺｎＳが溶解または分解され、コアを被膜するものがなくなってしまい、この結果、半導体量子ドットの蛍光効率が低下してしまうものと推測される。
従って、特許文献３に記載の発光デバイスは、装置内部に侵入する水分を考慮した構造とはなっておらず、半導体量子ドットは、水分による表面の欠陥が生じやすいものと言える。結果として、この発光デバイスは、湿度が高い環境下では、劣化が生じやすいものと考えられる。
そこで、半導体量子ドットを利用した発光デバイスでは、半導体量子ドットの表面と水分の接触を低減させて、装置の高寿命化が実現できる装置が求められることになる。
また、発光デバイスは、半導体量子ドットを用いるものに限らず、光源となる半導体発光素子やワイヤーリードを、樹脂等を用いた封止材で覆い、保護する構造を有している。封止材は、振動や湿気、熱や物理的な外部からの衝撃から半導体発光素子全体を保護する。
しかし、封止材の原料となる樹脂に、量子ドット蛍光体や量子ドット蛍光体粒子を分散させるための添加剤を加えることで、封止材の保護性能が悪くなってしまう問題がある。封止材に及ぼす悪影響として、透明性や透湿性の低下、封止材の硬化が阻害されるなどが見られる。この結果、発光素子が壊れやすくなり、発光デバイスの発光寿命が短くなってしまう不都合が生じる。
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、充分な発光効率を有し、長時間安定して光を放出可能な半導体を利用した発光デバイスを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の半導体を利用した発光デバイスは、回路パターンが設けられたベース基板と、該ベース基板上に設けられると共に、前記回路パターンと電気的に接続された発光素子と、該発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、半導体量子ドット粒子を有し、前記発光素子から放出された光が透過可能な第１層封止部と、該第１層封止部上の少なくとも一部に形成されると共に、防湿性を有する第２層封止部とを備える。
ここで、回路パターンが設けられたベース基板と、ベース基板上に設けられると共に、回路パターンと電気的に接続された発光素子によって、ベース基板上に光源となる発光素子を設けることができる。
また、第１層封止部が発光素子上の少なくとも一部に形成されたことによって、発光素子が保護されることになり、半導体を利用した発光デバイスの耐久性を向上させることができる。
また、発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、半導体量子ドット粒子を有する第１層封止部によって、発光素子から放出された光を半導体量子ドットの種類に応じた蛍光へと波長変換することができる。このことは、所望の波長を有する光を第１層封止部の構成により作り出すことができることを意味する。
また、発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、半導体量子ドット粒子を有し、発光素子から放出された光が透過可能な第１層封止部によって、発光素子から放出された光及び半導体量子ドットから生じた蛍光を第１層封止部の外部に放出することが可能となる。
また、第１層封止部上の少なくとも一部に形成された第２層封止部によって、発光素子を第２層封止部でも保護することになり、より一層、発光デバイスの耐久性を向上させることができる。
また、第１層封止部上の少なくとも一部に形成されると共に、防湿性を有する第２層封止部によって、第１層封止部の内部への水分の侵入を低減させることができる。即ち、半導体量子ドットの表面と水分との接触を低減させることができる。
また、第１層封止部または第２層封止部の少なくとも一方に硫化亜鉛粒子を含む場合には、半導体量子ドットの表面と水分との接触を、より一層低減させることができる。即ち、環境中の水分が、半導体量子ドットのシェルを構成するＺｎＳと、ＺｎＳ粒子の両方に作用することになり、シェル部分のＺｎＳと水分との接触を減らすことが可能となる。
また、第１層封止部に硫化亜鉛粒子を含む場合には、半導体量子ドットの表面と水分との接触を、更に一層、低減させることができる。即ち、半導体量子ドットとＺｎＳ粒子が同一の封止部内に存在することから、シェル部分のＺｎＳと水分との接触を抑制しやすいものとすることができる。
また、硫化亜鉛粒子の粒子直径が半導体量子ドット粒子の粒子直径に比べて小さい場合には、発光素子から放出された光が半導体量子ドットに当たりやすくなる。即ち、装置の蛍光効率を高めることができる。
また、第２層封止部がエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂で形成された場合には、第２層封止部の防湿性能をより一層高めることができる。
また、硫化亜鉛粒子が、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂の全量基準で重量比率が概ね０．５％である場合には、ＺｎＳ粒子の存在により、樹脂の硬化性が妨げられにくくすることができる。即ち、第２層封止部の形成と防湿性能の付与を両立することが可能となる。
また、上記の目的を達成するために、本発明の半導体を利用した発光デバイスは、回路パターンが設けられたベース基板と、該ベース基板上に設けられると共に、前記回路パターンと電気的に接続された発光素子と、該発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、半導体量子ドット粒子及び硫化亜鉛粒子を有し、前記発光素子から放出された光が透過可能な封止部とを備える。
ここで、半導体量子ドット粒子を有する封止部によって、発光素子から放出された光を半導体量子ドットの種類に応じた蛍光へと変換することができる。
また、半導体量子ドット粒子及び硫化亜鉛粒子を有する封止部によって、半導体量子ドットの表面と水分との接触を低減させることができる。
本発明に係る半導体を利用した発光デバイスは、充分な発光効率を有し、長時間安定して光を放出可能なものとなっている。
湿度に関する試験に用いた発光デバイスの構造を示す概略図である。 湿度に関する発光寿命試験結果を示したグラフである。 本発明の第１の実施形態の構造を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の構造を示した概略図である。 本発明の第３の実施形態の構造を示した概略図である。 発光寿命試験結果を示したグラフである。 本発明の第４の実施形態の構造を示した概略図である。 発光寿命試験結果を示したグラフである。 従来の半導体量子ドットを用いた発光デバイスの概略図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図３は、本発明の第１の実施形態の構造を示した概略図である。本発明の第１の実施形態について説明する。
図３に示すように、本発明を適用した半導体を利用した発光デバイスの一例であるＬＥＤ発光装置５は、パッケージ１０と、半導体発光素子２００と、第１の封止層５０と、第２の封止層６０を備えている。
また、半導体発光素子２００は、ＰＮ接合された半導体層を有し、半導体層への電圧の印加によって光を放出する光源となる。また、半導体発光素子２００は、電流を供給する電源端子２０１と接続されている。
また、半導体発光素子２００の上部には、半導体発光素子２００の領域を中心に、周辺の領域まで第１の封止層５０に覆われた形状になっている。第１の封止層５０は半導体発光素子２００を保護する。
また、第１の封止層５０は、シリコーン樹脂で形成されている。シリコーン樹脂には、半導体発光素子２００から放出された光を波長変換して蛍光を生じる半導体量子ドット１０１が含まれている。
また、第１の封止層５０は、半導体量子ドット１０１を含む蛍光体溶液が、半導体発光素子２００の上面に塗布又は吹き付けられて硬化したものである。なお、説明の便宜上、図３の第１の封止層５０は、実際のものよりも厚みがあるように示されている。実際には、第１の封止層５０は、厚さ数μｍの薄膜である。
また、蛍光体溶液は、透光性を有する硬化性の媒体に量子ドット蛍光体が含有されたものである。媒体には、例えば感光性樹脂が使用される。
また、第１の封止層５０は、光源由来の光及び蛍光の両方を透過可能なものとなっている。
また、第１の封止層５０の上部には、第１の封止層５０の形成領域の略全領域を有する第２の封止層６０が形成されている。第２の封止層６０は、第１の封止層５０への水分の侵入を低減させ、半導体発光素子２００の保護機能も備えている。また、第２の封止層６０は、防湿効果の高いエポキシ樹脂で形成されている。
また、第２の封止層６０は、光源由来の光及び蛍光の両方を透過可能なものとなっている。
また、パッケージ１０は、半導体発光素子２００の底面と、第１の封止層５０及び第２の封止層６０を囲む形状となっている。また、パッケージ１０は、プラスチックで形成されている。
ここで、必ずしも、半導体発光素子２００の上部の周辺の領域まで第１の封止層５０に覆われる必要はない。半導体発光素子２００が覆われるように第１の封止層５０が部分的に形成されていれば充分である。但し、半導体発光素子２００や、電源端子２０１と接続されたワイヤーを振動や熱などから充分に保護する観点から、半導体発光素子２００の上部は、半導体発光素子２００の領域を中心に、周辺の領域まで第１の封止層５０に覆われた形状とされることが好ましい。
また、必ずしも、第１の封止層５０がシリコーン樹脂で形成される必要はない。但し、光の透過性及び防湿性が良好な点から、第１の封止層５０がシリコーン樹脂で形成されることが好ましい。
また、必ずしも、第１の封止層５０が、半導体量子ドット１０１を含む蛍光体溶液を半導体発光素子２００の上面に塗布又は吹き付けられて硬化したものとして形成される必要はない。例えば、シリコーン樹脂の溶液に蛍光体溶液を分散させて、第１の封止層を形成する方法も採用できる。
また、必ずしも、第１の封止層５０の形成領域の略全領域を有する第２の封止層６０が形成される必要はなく、部分的に形成されてもよい。但し、第１の封止層５０への水分の侵入を充分に低減できる観点から、第１の封止層５０の形成領域の略全領域を有する第２の封止層６０が形成されることが好ましい。
また、必ずしも、第２の封止層６０がエポキシ樹脂で形成される必要はない。但し、光の透過性及び防湿性が良好な点から、第２の封止層６０がエポキシ樹脂で形成されることが好ましい。特にエポキシ樹脂は、シリコーン樹脂と比較しても、水蒸気透過度が低い性質を有しており、優れた防湿性を装置に付与することが可能となる。
また、必ずしも、パッケージ１０がプラスチックで形成される必要はなく、絶縁性のある原料で形成されていれば充分である。
また、本発明の実施形態では、半導体量子ドット１０１として、コアシェル型半導体量子ドットを用いている。コアシェル型半導体量子ドットは、発光部としてのコアが、保護膜としての第１シェル及び第２シェルにより二重に被膜された構造になっている。
また、コアはＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、第１シェルはＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、第２シェルはＺｎＳ（硫化亜鉛）で形成されている。ＣｄＳｅとＺｎＳの界面に、両者の中間的な格子定数を持つＺｎＳｅ層がエピタキシャル的に挟み込まれている。また、他の実施例として、コアはＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＺｎＳｅ、ＺｎＣｄＳｅ固溶体、ＣｄＳｅＳ固溶体、ＺｎＣｄＳｅＳ固溶体を、第１シェルとしてＣｄＳ、ＺｎＣｄＳ固溶体、ＺｎＳを、第２シェルとしてＺｎＣｄＳ固溶体、ＺｎＳを用い、場合により第３シェルとしてＺｎＳを用いて４層構造とすることもある。
ここで、コアシェル型半導体量子ドットの構造は、コアがシェルによって二重に被膜されたものに限定されるものではなく、シェル１層で被膜されたもの、またはシェル３層で被膜されたものを用いてもよい。また、コア、第１シェル及び第２シェルの原料は、必ずしも、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ及びＺｎＳに限定されるものではない。但し、ＣｄＳｅとＺｎＳの間の格子のミスマッチによる歪みが、ＺｎＳｅの存在により緩和され、半導体量子ドットの物性が向上する点から、コアが２層のシェルで被膜されることが好ましい。
また、半導体量子ドット１０１は、粒子直径が５０ｎｍ以下の半導体粒子である。ここで、「粒子直径が５０ｎｍ以下の半導体粒子」とは、用いられる量子ドットのほとんど、例えば、粒径分布を測定した場合に重量比にして９０％以上の粒子が５０ｎｍ以下の粒径を有していることをいう。なお、この場合の粒径分布の測定法としては、動的光散乱法（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）（ＪＩＳＺ８８２６、ＩＳＯ１３３２１、ＩＳＯ２２４１２）を用いることができる。
また、半導体量子ドット１０１は、必要に応じて複数の種類の半導体量子ドットを用いることができる。また、各々の蛍光層に分散される量も限定されるものではない。但し、白色ＬＥＤを作る場合には、半導体発光素子２００を青色ＬＥＤチップにして、６６０ｎｍ（赤色）及び５２０ｎｍ（緑色）の蛍光を放出する半導体量子ドットが用いられることが好ましい。
また、半導体量子ドット１０１の量や種類を調整することで、多様な発光スペクトルのＬＥＤ発光装置を安定して製造することができる。半導体量子ドットは従来の蛍光体よりも粒子サイズが小さいため、量や分散状態のばらつきが起こりにくく、半導体発光素子が放射する光の光学特性を安定させることができる。
本発明の第１の実施形態では、半導体量子ドット１０１を含む第１の封止層５０が、防湿性を有する第２の封止層６０により保護されることで、環境中の湿度等の水分が、第１の封止層５０に侵入しにくい構造となっている。
即ち、ＬＥＤ発光装置５を、例えば、湿度の高い環境下に設置する場合にも、半導体量子ドットの表面に欠損が生じにくいものにすることができる。また、第１の封止層５０及び第２の封止層６０の２層構造で、半導体発光素子を熱や振動等の外的要因から保護することができる。この結果、ＬＥＤ発光装置５を発光効率が高く、発光寿命の長い装置にすることができる。
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態の構造を示した概略図である。
図４に示すように、ＬＥＤ発光装置６は、パッケージ１０と、半導体発光素子２００と、第１の封止層５０と、第２の封止層６０を備えている。また、第１の封止層５０には、半導体量子ドット１０１が含まれている。なお、第１の実施形態と共通する部材の詳細については、説明を省略する。
また、ＬＥＤ発光装置６は、第２層の封止層６０に硫化亜鉛（ＺｎＳ）粒子１０２を含んでいる。ＺｎＳ粒子１０２は、ＬＥＤ発光装置６の内部に侵入してくる環境中の湿度等由来の水分と反応し、半導体量子ドット１０１のシェル部分のＺｎＳの水分による溶解を低減させている。
また、ＺｎＳ粒子１０２は、第２の封止層６０を形成するエポキシ樹脂と混合した状態で、約０．５％（ｗｔ％）の質量パーセント濃度になるように配合されている。また、ＺｎＳ粒子１０２として添加するＺｎＳの粒子径は直径約３ｎｍである。
ここで、必ずしも、第２の封止層６０がＺｎＳ粒子１０２を含む必要はない。但し、ＬＥＤ発光装置６の内部に侵入した水分とＺｎＳ粒子１０２が反応し、半導体量子ドット１０１の表面に欠損が生じにくくなる点から、第２の封止層６０が硫化亜鉛（ＺｎＳ）粒子１０２を含むことが好ましい。
また、必ずしも、硫化亜鉛（ＺｎＳ）粒子１０２が含まれる位置が、第２の封止層６０に限定されるものではない。例えば、第１の封止層５０に含有させる構造も採用しうる。また、第１の封止層５０及び第２の封止層６０にＺｎＳ粒子１０２を含めて、２層の両方で侵入した水分を低減させることもできる。２層にＺｎＳ粒子を含めることで、一層効率よく、水分を補足することが可能となる。
また、必ずしも、ＬＥＤ発光装置６が、第１の封止層５０及び第２の封止層６０で構成された２層構造に限定される必要はない。例えば、３層や４層といった、第２の封止層６０の上部に更に積層させた構造として、防湿効果を高めることも考えられる。但し、装置から放出する光の損失を考慮して、防湿効果とのバランスで構造が決定されることが好ましい。
また、必ずしも、ＺｎＳ粒子１０２が、第２の封止層６０を形成するエポキシ樹脂と混合した状態で、約０．５％（ｗｔ％）の質量パーセント濃度になるように配合される必要はない。但し、ＺｎＳを配合した樹脂が硬化可能な範囲である点、及び、シェル部分のＺｎＳと水分との接触を充分に低減できる点から、ＺｎＳ粒子１０２が、第２の封止層６０を形成するエポキシ樹脂と混合した状態で、約０．５％（ｗｔ％）の質量パーセント濃度になるように配合されることが好ましい。
なお、ＺｎＳ粒子の樹脂中の質量パーセント濃度が２％を超える場合には、樹脂が硬化せず、封止層を形成することが困難になってしまう。一方、ＺｎＳ粒子の樹脂中の質量パーセント濃度が０．１％未満の場合には、シェル部分のＺｎＳへの水分の作用を充分に低減できす、半導体量子ドットの表面に欠損が生じやすくなるおそれがある。
また、必ずしも、ＺｎＳ粒子１０２として添加するＺｎＳの粒子径が直径約３ｎｍに限定される必要はない。但し、半導体量子ドットに光源からの光が当たりやすくなり、ＬＥＤ発光装置６の蛍光効率が高まる点から、添加されるＺｎＳの粒子径は、半導体量子ドットの粒子径よりも小さなものが採用されることが好ましい。
より具体的には、半導体量子ドット１０１とＺｎＳ粒子１０２との粒径分布をそれぞれとった場合に、メジアン値について、ＺｎＳ粒子１０２が半導体量子ドット１０１の粒子よりも小さくなることが好ましい。この観点から、ＺｎＳ粒子１０２の直径のメジアン値は２０ｎｍ以下となることが望ましい。
本発明の第２の実施形態では、半導体量子ドット１０１を含む第１の封止層５０が、防湿性を有する第２の封止層６０により保護されることで、環境中の湿度等の水分が、第１の封止層５０に侵入しにくい構造となっている。
また、第２の封止層６０にＺｎＳ粒子１０２を含むことから、ＬＥＤ発光装置６の内部に侵入した水分とＺｎＳ粒子１０２が反応し、半導体量子ドット１０１の表面に欠損が生じにくいものとなっている。即ち、ＬＥＤ発光装置５を水分による影響から充分に保護し、発光効率が高く、発光寿命の長い装置にすることができる。
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態の構造を示した概略図である。
図５に示すように、ＬＥＤ発光装置７は、パッケージ１０と、半導体発光素子２００と、第１の封止層５０と、第２の封止層６０とを備えている。また、第１の封止層５０には、半導体量子ドット１０１が含まれている。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態と共通する部材の詳細については、説明を省略する。
また、ＬＥＤ発光装置７は、第１の封止層５０にＺｎＳ粒子１０２を含んでいる。ＺｎＳ粒子１０２は、ＬＥＤ発光装置７の内部に侵入してくる環境中の湿度等由来の水分と反応し、半導体量子ドット１０１のシェル部分のＺｎＳの水分による溶解を低減させている。
また、ＺｎＳ粒子１０２は、第２の封止層６０を形成するエポキシ樹脂と混合した状態で、約０．５％（ｗｔ％）の質量パーセント濃度になるように配合されている。また、ＺｎＳ粒子１０２として添加するＺｎＳの粒子径は直径約３ｎｍである。
本発明の第３の実施形態では、半導体量子ドット１０１を含む第１の封止層５０が、防湿性を有する第２の封止層６０により保護されることで、環境中の湿度等の水分が、第１の封止層５０に侵入しにくい構造となっている。
また、第１の封止層５０にＺｎＳ粒子１０２を含むことから、ＬＥＤ発光装置７の内部に侵入した水分とＺｎＳ粒子１０２が反応し、半導体量子ドット１０１の表面に欠損が生じにくいものとなっている。
また、第１の封止層５０中に半導体量子ドット１０１と、ＺｎＳ粒子１０２の両方が存在しているため、シェル部分のＺｎＳと水分との接触を抑制しやすいものとすることができる。よって、ＬＥＤ発光装置７を水分による影響から充分に保護し、発光効率が高く、発光寿命の長い装置にすることができる。
続いて、本発明の実施形態の製造方法について説明する。
まず、半導体発光素子２００は、ウェハー上に複数形成されたものを分離して用いる。半導体発光素子２００の半導体材料としては、ＧａＮ（窒化ガリウム）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、ＳｉＣ（炭化珪素）及びＧａＡｓ（ガリウムヒ素）を用いることができる。ウェハーは、これら半導体材料を用いた基板上にＮ型及びＰ型の結晶の層を成長させることで形成される。結晶を成長させる方法は、液相で温度差を用いて成長させる液相エピタキシャル成長などを用いることができる。ウェハーは市販のものを用いてもよい。
また、パッケージ１０上の半導体発光素子２００及び電源端子２０１の配置構造は、既知のプリント基板の製造方法で作ることができる。プラスチック性の基材の上に、電極の形状に加工したアルミニウム製のリード電極を配置して、回路パターンを形成する。
また、電極上に熱せられた銀ペーストを塗布し、半導体発光素子２００を載置して、電極上に固定する。リード電極と半導体発光素子２００をワイヤーで接続することで、半導体発光素子２００に電圧が印加可能になる。ここまでの工程でＬＥＤチップを含む回路基板が完成する。
次に、第１の封止層５０を用いて、上記の回路基板を封止する。第１の封止層５０は、半導体発光素子２００から放出される光に対して、透過性を有するシリコーン樹脂で形成される。封止はポッティング法で行い、シリコーン樹脂は熱硬化性の液状のものを用いる。
ここで、樹脂による封止の方法は、ポッティング法に限定されるものではなく、封止が可能であればどのような方法を用いてもよい。また、樹脂の硬化は熱硬化に限定されるものではなく、硬化できればどのような方法でもよい。例えば、ＵＶ硬化性の樹脂を用いてもよい。以上の点は、第１の封止層５０だけでなく、第２の封止層６０についても同様である。
まず、半導体発光素子２００の上部から液状のシリコーン樹脂を滴下していく。滴下には、シリコーン樹脂が充填されたシリンジを用い、シリンジに設けられたニードルの先端部分から樹脂を滴下する。樹脂の注入量は、第１の封止層５０が所望の厚みになるように適宜選択される。通常は、保持部を形成し、囲まれた空間に樹脂を滴下していく。
次に、シリコーン樹脂が滴下された状態の基材を加熱して、樹脂を硬化させる。樹脂の硬化にはヒーターを用い、遠赤外線ヒーターやＩＨヒーターにて加熱することができる。硬化したシリコーン樹脂が半導体発光素子２００の保護層となる。
また、半導体量子ドット１０１を含む蛍光体溶液が、第１の封止層５０の半導体発光素子２００の上面に塗布される。
また、蛍光体溶液に含まれる半導体量子ドット１０１は、コアシェル型半導体量子ドットである。コアシェル型半導体量子ドットは、例えば特開２００３−２２５９００号公報や再表２００５／０２３７０４号公報に記載の方法により製造できる。ＣｄやＺｎなどの原料を含む溶液を加熱したマイクロ流路内に通過させ、核微粒子、被膜構造を形成させる。このようなマイクロリアクターを用いた製造方法により、コアシェル型半導体量子ドットが得られる。
コアシェル型半導体量子ドットは、精製、濃度調整を経て、揮発性の溶媒に分散され、蛍光体溶液が得られる。また、蛍光体溶液を調製する場合には、必要に応じて、ホスフィンやアミン系の化学品及びフッ素系やシリコーン系の樹脂のモノマーやポリマー等を用いて表面処理を行う。これにより、半導体量子ドットの物性や耐性が向上する。
次に、第２の封止層６０を用いて、半導体発光素子２００及び第１の封止層５０を封止する。第２の封止層６０は、半導体発光素子２００から放出される光及び半導体量子ドット１０１から生じる蛍光に対して、透過性を有するエポキシ樹脂で形成される。また、エポキシ樹脂は良好な防湿性を有している。
封止はポッティング法で行い、エポキシ樹脂は熱硬化性の液状のものを用いる。第２の封止層６０の硬化までの工程は、第１の封止層５０と同様に行う。
また、ＺｎＳ粒子１０２については、第２の実施形態及び第３の実施形態で配置が異なる。第２の実施形態では、ＺｎＳ粒子１０２をトルエンに分散させて、第２の封止層６０を形成する硬化前のエポキシ樹脂と混合した。ＺｎＳ粒子のトルエン内での質量パーセント濃度（ｗｔ％）は１０％であり、エポキシ樹脂と混合した状態での質量パーセント濃度は約０．５％である。
また、第３の実施形態では、ＺｎＳ粒子１０２をトルエンに分散させて、量子ドット蛍光体分散液に加え、更に第１の封止層５０を形成する硬化前のシリコーン樹脂と混合した。ＺｎＳ粒子のトルエン内での質量パーセント濃度（ｗｔ％）は１０％であり、シリコーン樹脂と混合した状態での質量パーセント濃度は約０．５％である。
以上のような工程を経て、本発明の第１の実施形態〜第３の実施形態を製造することができる。
続いて、本発明の第１〜第３の実施形態の実施例について説明する。
（１）発光寿命測定試験用のサンプル作成
本発明の第１の実施形態〜第３の実施形態について、前述した製造方法で各ＬＥＤ発光装置を作成した。即ち、ＬＥＤ発光装置５（ＺｎＳ粒子なし）、ＬＥＤ発光装置６（第２の封止層６０にＺｎＳ粒子１０２）及びＬＥＤ発光装置７（第１の封止層５０にＺｎＳ粒子１０２）である。
（２）発光寿命の測定方法
図６は、発光寿命測定試験の結果を示すグラフである。
上記のように作成したサンプルについて、各ＬＥＤ発光装置の発光寿命を調べるために、発光寿命の測定を行った。各ＬＥＤ発光装置を６０℃に設定した耐久試験機（タイテック社製：クールサーモユニットＣＴＵ−Ｎ）に載置した。一定時間毎にＬＥＤ発光装置を取り出し、全光束測定システム（大塚電子社製）で、発光強度の測定を行った。
図６のグラフでは、横軸は試験開始からの経過時間（ｈｏｕｒ）、縦軸は装置が放出する発光エネルギー出力（Ｗａｔｔ）である。また、図６では、グラフ曲線３０２が第１の実施形態であるＬＥＤ発光装置５（ＺｎＳ粒子なし）、グラフ曲線３０３が第２の実施形態であるＬＥＤ発光装置６（第２の封止層６０にＺｎＳ粒子１０２）、グラフ曲線３０４が第３の実施形態であるＬＥＤ発光装置７（第１の封止層５０にＺｎＳ粒子１０２）をそれぞれ示している。
図６に示すように、ＬＥＤ発光装置７（第１の封止層５０にＺｎＳ粒子１０２）、ＬＥＤ発光装置６（第２の封止層６０にＺｎＳ粒子１０２）、ＬＥＤ発光装置５（ＺｎＳ粒子なし）の順番で発光寿命が長い結果となった。
図６では、ＺｎＳ粒子１０２を含むＬＥＤ装置の方が、発光寿命が長くなる結果を示した。また、第１の封止層５０にＺｎＳ粒子を含むＬＥＤ装置の方が、発光寿命が長くなる結果を示した。
（３）樹脂の硬化性試験
本発明の封止層を形成する樹脂の硬化性とＺｎＳ粒子の配合量の関係を調べるために硬化性試験を行った。前述した蛍光体溶液を真空ポンプで濃縮し、ＺｎＳ粒子１０２及びトルエンと混合した。更に、硬化前のシリコーン樹脂と、トルエン分散液を混合してサンプル溶液とした。シリコーン樹脂中でＺｎＳ粒子１０２の質量パーセント濃度（ｗｔ％）が、０．５％及び２．０％になるようにサンプルを調製した。サンプル溶液をピペットで分取し、硬化工程を経て、ピンセットを使用して、サンプルの硬化具合を観察した。
ＺｎＳ粒子１０２の質量パーセント濃度が０．５％のサンプルは、ピンセットで樹脂を指すと固く、サンプルが硬化した状態を確認できた。一方、ＺｎＳ粒子１０２の質量パーセント濃度が２．０％のサンプルは、ピンセットで樹脂を指すと柔らかく、引き上げると糸を引き、サンプルの硬化は確認できなかった。
続いて、本発明の第４の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態の構造を示した概略図である。
図７に示すように、本発明を適用した半導体を利用した発光デバイスの一例であるＬＥＤ発光装置８は、パッケージ１０と、半導体発光素子２００と、封止層８０を備えている。
また、半導体発光素子２００は、ＰＮ接合された半導体層を有し、半導体層への電圧の印加によって光を放出する光源となる。また、半導体発光素子２００は、電流を供給する電源端子２０１と接続されている。
また、半導体発光素子２００の上部には、半導体発光素子２００の領域を中心に、周辺の領域まで封止層８０に覆われた形状になっている。封止層８０は半導体発光素子２００を保護する。
また、封止層８０は、シリコーン樹脂で形成されている。シリコーン樹脂には、半導体発光素子２００から放出された光を波長変換して蛍光を生じる半導体量子ドット１０１が含まれている。
また、封止層８０は、半導体量子ドット１０１を含む蛍光体溶液が、半導体発光素子２００の上面に塗布又は吹き付けられて硬化したものである。なお、説明の便宜上、図７の封止層８０は、実際のものよりも厚みがあるように示されている。実際には、封止層８０は、厚さ数μｍの薄膜である。
また、蛍光体溶液は、透光性を有する硬化性の媒体に量子ドット蛍光体が含有されたものである。媒体には、例えば感光性樹脂が使用される。また、封止層８０は、光源由来の光及び蛍光の両方を透過可能なものとなっている。
ここで、必ずしも、半導体発光素子２００の上部の周辺の領域まで封止層８０に覆われる必要はない。半導体発光素子２００が覆われるように封止層８０が部分的に形成されていれば充分である。但し、半導体発光素子２００や、電源端子２００と接続されたワイヤーを振動や熱などから充分に保護する観点から、半導体発光素子２００の上部は、半導体発光素子２００の領域を中心に、周辺の領域まで封止層８０に覆われた形状とされることが好ましい。
また、必ずしも、封止層８０がシリコーン樹脂で形成される必要はない。但し、光の透過性及び防湿性が良好な点から、封止層８０がシリコーン樹脂で形成されることが好ましい。
また、必ずしも、封止層８０が、半導体量子ドット１０１を含む蛍光体溶液を半導体発光素子２００の上面に塗布又は吹き付けられて硬化したものとして形成される必要はない。例えば、シリコーン樹脂の溶液に蛍光体溶液を分散させて、封止層を形成する方法も採用できる。
また、必ずしも、パッケージ１０がプラスチックで形成される必要はなく、絶縁性のある原料で形成されていれば充分である。
また、本発明の実施形態では、半導体量子ドット１０１として、コアシェル型半導体量子ドットを用いている。半導体量子ドットの構成については、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
また、ＬＥＤ発光装置８は、封止層８０にＺｎＳ粒子１０２を含んでいる。ＺｎＳ粒子１０２は、ＬＥＤ発光装置８の内部に侵入してくる環境中の湿度等由来の水分と反応し、半導体量子ドット１０１のシェル部分のＺｎＳが水分による溶解を低減させている。
また、ＺｎＳ粒子１０２は、封止層５０を形成するシリコーン樹脂と混合した状態で、約０．５％（ｗｔ％）の質量パーセント濃度になるように配合されている。また、ＺｎＳ粒子１０２として添加するＺｎＳの粒子径は直径約３ｎｍである。
本発明の第４の実施形態では、封止層８０にＺｎＳ粒子１０２を含むことから、ＬＥＤ発光装置８の内部に侵入した水分とＺｎＳ粒子１０２が反応し、半導体量子ドット１０１の表面に欠損が生じにくいものとなっている。
また、封止層８０中に半導体量子ドット１０１と、ＺｎＳ粒子１０２の両方が存在しているため、シェル部分のＺｎＳと水分との接触を抑制しやすいものとすることができる。よって、ＬＥＤ発光装置８を水分による影響から充分に保護し、発光効率が高く、発光寿命の長い装置にすることができる。
以下、本発明の第４の実施形態の実施例について説明する。
（４）発光寿命測定試験用のサンプル作成
前述した製造方法に基づいて、実施例として、第４に実施形態であるＬＥＤ発光装置８（ＺｎＳ粒子あり）及び、比較例として、ＬＥＤ発光装置８と同様の構造でＺｎＳ粒子１０２を含まないＬＥＤ発光装置９（ＺｎＳ粒子なし。図示せず。）を作成した。
（５）発光寿命の測定方法
図８は、発光寿命測定試験の結果を示すグラフである。
上記のように作成したサンプルについて、各ＬＥＤ発光装置の発光寿命を調べるために、発光寿命の測定を行った。各ＬＥＤ発光装置を６０℃に設定した耐久試験機（タイテック社製：クールサーモユニットＣＴＵ−Ｎ）に載置した。一定時間毎にＬＥＤ発光装置を取り出し、全光束測定システム（大塚電子社製）で、発光強度の測定を行った。なお、本試験は、前述した（２）発光寿命の測定方法と同様の方法で行ったものである。
図８のグラフでは、横軸は試験開始からの経過時間（ｈｏｕｒ）、縦軸は装置が放出する発光エネルギー出力（Ｗａｔｔ）である。また、図８では、グラフ曲線３００が第４の実施形態であるＬＥＤ発光装置８（ＺｎＳ粒子あり）、グラフ曲線３０１が比較例であるＬＥＤ発光装置９（ＺｎＳ粒子なし）をそれぞれ示している。
図８に示すように、ＬＥＤ発光装置８（ＺｎＳ粒子あり）については、試験開始５００時間経過後においても、一定値以上のエネルギー強度の光を確認することができた。一方、ＬＥＤ発光装置９（ＺｎＳ粒子なし）では、開始後、著しくエネルギー強度の低下がみられ、試験開始１００時間経過後には、低いエネルギー強度のみを示す結果となった。
図８では、ＺｎＳ粒子１０２を含むＬＥＤ装置の方が、発光寿命が長くなる結果を示した。
以上のとおり、本発明を適用したＬＥＤ発光装置では、半導体発光素子を保護する封止層の上に、防湿性を有する封止層を設けることで、半導体量子ドットの表面の欠損の原因となる水分の侵入を低減させることができる。
また、封止層内に、ＺｎＳ粒子を含めることで、水分による半導体量子ドットのシェル部分のＺｎＳの溶解または分解を低減させることができる。即ち、余剰のＺｎＳ粒子の存在により、シェル部分のＺｎＳの溶出を抑えることができる。この結果、装置を高寿命なものにすることができる。また、装置の発光効率を高く保つことができる。
このように、本発明を適用した半導体を利用した発光デバイスは、充分な発光効率を有し、長時間安定して光を放出可能なものとなっている。
１ ＬＥＤ発光装置
１０ パッケージ
２００ 半導体発光素子
１０１ 半導体量子ドット
７０ シリコーン樹脂
２０１ 電源端子
３０５ グラフ曲線（温度６０℃、加湿なし）
３０６ グラフ曲線（温度６０℃、湿度９０）
５ ＬＥＤ発光装置（第１の実施形態）
５０ 第１の封止層
６０ 第２の封止層
６ ＬＥＤ発光装置（第２の実施形態）
１０２ ＺｎＳ粒子
７ ＬＥＤ発光装置（第３の実施形態）
３０２ グラフ曲線（ＺｎＳ粒子なし）
３０３ グラフ曲線（第２の封止層にＺｎＳ粒子）
３０４ グラフ曲線（第１の封止層にＺｎＳ粒子）
８ ＬＥＤ発光装置（第４の実施形態）
８０ 封止層

Claims (6)

  1. 回路パターンが設けられたベース基板と、
    該ベース基板上に設けられると共に、前記回路パターンと電気的に接続された発光素子と、
    該発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、硫化亜鉛から構成されるシェル部分を含む半導体量子ドット粒子を有し、前記発光素子から放出された光が透過可能な第１層封止部と、
    該第１層封止部上の少なくとも一部に形成されると共に、防湿性を有する第２層封止部とを備え、
    前記第１層封止部及び前記第２層封止部は樹脂で形成されると共に、前記第１層封止部または前記第２層封止部の少なくとも一方に硫化亜鉛粒子を含み、
    前記硫化亜鉛粒子の粒子直径が前記半導体量子ドット粒子の粒子直径に比べて小さく、かつ、同硫化亜鉛粒子の粒子直径のメジアン値が２０ｎｍ以下である
    半導体を利用した発光デバイス。
  2. 前記硫化亜鉛粒子は、前記樹脂の全量基準で重量比率が０．１〜２．０％である
    請求項１に記載の半導体を利用した発光デバイス。
  3. 前記硫化亜鉛粒子は、前記樹脂の全量基準で重量比率が概ね０．５％である
    請求項２に記載の半導体を利用した発光デバイス。
  4. 前記第１層封止部に硫化亜鉛粒子を含む
    請求項１、請求項２または請求項３に記載の半導体を利用した発光デバイス。
  5. 前記第２層封止部はエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂で形成された
    請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の半導体を利用した発光デバイス。
  6. 回路パターンが設けられたベース基板と、
    該ベース基板上に設けられると共に、前記回路パターンと電気的に接続された発光素子と、
    該発光素子上の少なくとも一部に形成されると共に、硫化亜鉛から構成されるシェル部分を含む半導体量子ドット粒子及び硫化亜鉛粒子を有し、前記発光素子から放出された光が透過可能な封止部とを備え、
    前記硫化亜鉛粒子の粒子直径が前記半導体量子ドット粒子の粒子直径に比べて小さく、かつ、硫化亜鉛粒子の粒子直径のメジアン値が２０ｎｍ以下である
    半導体を利用した発光デバイス。
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