(57)【要約】【課題】  半導体発光素子の長寿命化及び発光効率の向上を図る。【解決手段】  半導体発光チップ１１と、この半導体発光チップ１１の周囲を覆う高屈折率のレンズ１２との間の空間に微粒子混入樹脂１３を充填する。上記微粒子混入樹脂１３は、光透過性樹脂１４の中に、誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子１５を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなる。【選択図】        図１
2006310710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光チップと、
この半導体発光チップの周囲を覆う高屈折率のレンズと、
上記半導体発光チップと上記レンズとの間の空間に充填された微粒子混入樹脂とからなり、
上記微粒子混入樹脂は、光透過性樹脂の中に、誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
上記光透過性樹脂は、紫外線硬化樹脂もしくは２液性硬化樹脂であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記光透過性樹脂は、グリース状の樹脂であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上記光透過性樹脂に混入する微粒子は、酸化チタン、酸化二オブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化セリウム酸化などの酸化物及びこれらの混合物から選択された材料を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
上記光透過性樹脂に混入する微粒子は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化シリコンなどの窒化物及びこれらの混合物から選択された材料を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、長寿命で小型の発光光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子が使用されており、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）は、液晶表示装置のバックライト光源用の、高輝度光源として注目されている。
【０００３】
従来、発光ダイオードからの発光を外部に取り出すための構造において発光ダイオードの発光部分もしくは導光部分に対して外部のレンズに相当する部分の屈折率を高くもしくはなるべく近づけることがチップ内部での全反射を避けるために有効とされている。
【０００４】
そこで  高屈折率のガラスや樹脂でレンズを作成し、それをチップにかぶせることが考えられた。
【０００５】
しかし、チップ内部での全反射を避けるためには、波長程度もしくはそれ以下の隙間しかチップとレンズの間の隙間が許されないため、メカニカルなトレランスを考えると、そのような構成のレンズとチップを用いて光を取り出すことは実現不可能である。
【０００６】
高屈折率のレンズとチップの間を高屈折率の透明な接着剤で埋めればよいのであるが、そのような屈折率ｎが１．７に近いような高屈折率の接着剤は非常に硬度が高い。硬いと材料間の熱膨張係数の差によって発生する歪により発光ダイオードの発光寿命が短くなることがすでに判明しており、さらに熱膨張の差によって、樹脂とチップ、樹脂とレンズが剥離を起こすと全反射条件が整うことによって光出力が極端に落ちてしまう。
【０００７】
よって、現在は発光した光のうちある部分がチップ内部に取り込まれ、消失していることで発光効率の低い発光ダイオードを用いていることになる。なぜなら、高屈折率のレンズは、チップの全反射を減らすことが目的であるならば、レンズよりも高い屈折率の接着層が存在しないと、その取り出し効果の向上は期待できないからである。
【０００８】
そこで、一般には  キャップとレンズの間には、エポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂を封入することが多い。特に電流を流し発熱も多いパワーＬＥＤに関しては、シリコーンのようなゲル状（半固体）をチップの周囲に封入することが不可欠とされている。
【０００９】
ここで、一般的なハイパワーＬＥＤの構造を図３に示す。
【００１０】
この図３に示すように、従来のハイパワーＬＥＤ１００は、ベース１１０の中央に設けられたヒートシンク１２０を備え、このヒートシンク１２０上のサブマウント１３０に半導体発光チップ１４０が載置固定され、この半導体発光チップ１４０を覆う高屈折率のプラスチックレンズ１６０と上記半導体発光チップ１４０との間の空間にシリコーン樹脂１５０が充填されている。
【００１１】
上記シリコーン樹脂１５０の役割は、
（１）半導体発光チップ１４０から発生する熱を伝達させる放熱の役割（空気より熱伝導が高い）
（２）材料の熱膨張係数の違いにより発生する歪の緩和
（３）半導体発光チップ１４０の表面と光学的にコンタクトを維持することでチップ表面で発生していた全反射条件を破る（Frustrated Total Internal Reflection)
という働きをしている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１５０６３号公報
【特許文献２】特表平７−５０７８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述のように特性の優れたシリコーンではあるが屈折率は１．５前後しか合成ができない。よって、シリコーン樹脂を充填した従来のパワーＬＥＤでは、活性層で発光した光のうちチップ内部から外に出ることができず消失している光がかなりある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、半導体発光素子の長寿命化及び発光効率の向上を図ることにある。
【００１５】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子は、半導体発光チップと、この半導体発光チップの周囲を覆う高屈折率のレンズと、上記半導体発光チップとレンズとの間の空間に充填された微粒子混入樹脂とからなり、上記微粒子混入樹脂は、光透過性樹脂の中に誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体発光チップとレンズとの間の空間に充填される光透過性樹脂の中に誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させることによって、上記光透過性樹脂の見かけの屈折率を上げることができ、半導体発光素子の長寿命化及び発光効率の向上を図ることができる。
【００１８】
すなわち、シリコーンを使っていないエポキシ樹脂で固めているような従来のＬＥＤと比較すると、本発明に係る半導体発光素子では、長寿命化を図るとともに光束量を増加することができる。また、シリコーンを用い長寿命化してある従来のＬＥＤと比較しても、光出力のアップによる高効率化をはかることができ、同一光束量であれば駆動電力の低下による省エネルギー化を図り、寿命の向上が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例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、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２０】
本発明は、例えば図１に示すような構成のハイパワーＬＥＤ１０に適用される。
【００２１】
このハイパワーＬＥＤ１０は、半導体発光チップ１１と、この半導体発光チップ１１の周囲を覆う高屈折率のレンズ１２との間の空間に微粒子混入樹脂１３を充填してなる。
【００２２】
上記微粒子混入樹脂１３は、光透過性樹脂１４の中に、誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子１５を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなる。この微粒子混入樹脂１３は、屈折率の高い誘電体微粒子１５を重量％で、微粒子：樹脂＝０．５：１〜４：１の割合で混ぜてある半固体状（グリース状）の光透過性樹脂１４からなり、見かけ上屈折率の高い媒質として機能する。
【００２３】
なお、このハイパワーＬＥＤ１０における半導体発光チップ１１は、ベース１６の中央に設けられたヒートシンク１７上のサブマウント１８に載置固定されている。
【００２４】
上記レンズ１２は、プラスチックまたはガラスからなる。
【００２５】
上記光透過性樹脂１４は、紫外線反応樹脂もしくは２液性反応樹脂からなる。
【００２６】
上記光透過性樹脂１４に混入させる微粒子１５は、酸化チタン、酸化二オブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化セリウム酸化などの酸化物及びこれらの混合物から選択された材料を主成分とする。また、上記微粒子１５は、窒化アルミニウム，窒化ガリウム，窒化シリコンなどの窒化物及びこれらの混合物から選択された材料を主成分とするものであってもよい。
【００２７】
上記微粒子１５の混入量は、反応後の微粒子混入樹脂１３の大まかな屈折率がレンズ１２の屈折率と近い、もしくは、レンズ１２より高いように調整をするのが望ましいが、その屈折率の値は、レンズ１２の形状の設計によって異なるので一概に決定はできないが、おおむね、高いほど良いと考えられる。
【００２８】
ただし、高くとも微粒子混入樹脂１３による光の吸収が多いと  せっかく全反射条件を破って取り出した光を自らが吸収してしまい光を多く取り出すという目的を達成できなくなる。しかし、粒子による光散乱により微粒子混入樹脂１３に白濁が発生しても吸収さえ起こらなければ目的を達成することが可能である。
【００２９】
ここで、具体的な高屈折率のゲル作成方法について簡単に説明する。
【００３０】
混合させる無機微粒子１５は、高温火炎を用いた超微粒子の合成法、もしくは、ゾルゲル法などを用いることが適当と考えられる。ここで合成した一次微粒子が凝集することなく、まず溶媒に分散させた状態で作成する。
【００３１】
これには、凝集を起こさず分散するようにナノ粒子の表面を処理することが必要である。
【００３２】
具体的には、界面活性剤を選ぶことで凝集エネルギーを下げ、溶媒との親和性を高めることがポイントとなる。微粒子が数十ｎｍ程度の十分小さく凝集をしていなければ、粒子の光学特性によって、若干の着色はあるものの、混合液は、たとえば３００ＣＣの広口ビンに入れても向こうが見える程度に透明となる。しかし、凝集を起こすと、白濁した研濁液となりビンの向こうの明暗程度は判断できても、散乱によってビンの向こうを見ることはできない。
【００３３】
次に、このようにして得られた混合液をシリコーンオイルに混ぜる。
【００３４】
実際にはシリコーンオイルと親和性が高い界面活性剤でナノ粒子表面をコーティングする必要があり、溶媒を気化させながらシリコーンにナノ粒子を混合させていく。
【００３５】
ここでいうシリコーンとは、ポリジメチルシロキサン、ポリシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサン、ポリジメチルジフェニルシロキサンのポリマー及びその共重合体及びその混合物のいずれかである。ポリシロキサンは、可視光に対する透明性、熱安定性などで本用途に適している。
【００３６】
上述の如き構成のハイパワーＬＥＤ１０では、半導体発光チップ１１とレンズ１２との間の空間に充填された微粒子混入樹脂１３が、光透過性樹脂１４の中に、誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子１５を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなることにより、見かけ上屈折率の高い媒質として機能するので、発光効率を向上させ、長寿命化することができる。
【００３７】
以上、説明した実施の形態では、半導体発光チップ１１を１個備えるハイパワーＬＥＤ１０に本発明を適用したが、本発明は、上記ハイパワーＬＥＤ１０のみに限定されるものでなく、例えば図２に示すように、複数個の半導体発光チップ２２を備えるハイパワーＬＥＤ２０に適用することもできる。
【００３８】
図２に示すハイパワーＬＥＤ２０は、ヒートシンクとしても機能を有するベース２１上に配設された複数個の半導体発光チップ２２と、上記複数個の半導体発光チップ２２に対応して設けられた高屈折率のマイクロレンズ２３からなるキャップ２４との間の空間に微粒子混入樹脂２５を充填してなる。
【００３９】
上記微粒子混入樹脂２５は、光透過性樹脂２６の中に、誘電体からなる高屈折率の平均粒径が直径１００ｎｍ以下の微粒子２７を各粒子の間隔が２００ｎｍ以下になるように多数均一に混入させてなることにより、見かけ上屈折率の高い媒質として機能する。
【００４０】
これによって、上記ハイパワーＬＥＤ２０は、長寿命化と発光効率の向上が図られている。
【００４１】
図２の場合、微粒子混合樹脂２５がある程度の硬さを持ち、ＬＥＤ２０が外部から接触を受けない様な用途の場合は、キャップ２４を微粒子混合樹脂で形成してしまい、キャップ２４と微粒子混合樹脂２５を同一の部材として構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を適用したハイパワーＬＥＤの構成例を示す要部縦断面である。
【図２】本発明を適用したハイパワーＬＥＤの他の構成例を示す要部縦断面である。
【図３】従来のハイパワーＬＥＤの構成例を示す要部縦断面である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，２０  ハイパワーＬＥＤ、１１，２２  半導体発光チップ、１２  レンズ、１３，２５微粒子混入樹脂、１４，２６  光透過性樹脂、１５、２７  微粒子、１６，２１  ベース、１７  ヒートシンク、１８  サブマウント、２３  マイクロレンズ、２４  キャップ
【図１】
2006310710.tif 000003
【図２】
2006310710.tif 000004
【図３】
2006310710.tif 000005