(57)【要約】【課題】基板や発光ダイオードチップへ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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開２００３-２０４０７９号公報
【特許文献２】特開２００５-１６６７３３号公報
【特許文献３】特開平４-２２３５２号公報
【特許文献４】特許第２９２４５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、Ｔａ2Ｏ5等の光学薄膜用の材料が使用可能である。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
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。
【００３０】
実施例１、２の被覆層２ｂは、重量％表示でＳｉＯ2を６０％、Ａｌ2Ｏ3を１５％、Ｂ2Ｏ3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。
【００３１】
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。
【００３２】
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Ａｌ2Ｏ3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。
【００３３】
実施例４は、単層のＡｌ2Ｏ3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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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）。
【００４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における発光ダイオード装置の説明図である。
【図２】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。
【符号の説明】
【００４３】
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
【図１】
2008112959.tif 000004
【図２】
2008112959.tif 000005