(57)【要約】【課題】指向性の広い発光特性を有する発光ダイオードを提供することを目的とする。【解決手段】透明な基板１１上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層１４と、前記発光層１４から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層１７と、前記第１の反射層１７とで前記発光層１４を挟むように設けた第２の反射層１８とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層１７と第２の反射層１８との間隔は、前記第２の反射層１８に入射角が２１度以上で入射する光が共振するように設定した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層と第２の反射層との間隔は、前記第２の反射層に入射角が２１度以上で入射する光が共振するように設定したことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記第２の反射層は、２１度以上の入射角で光反射率のピークを有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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面光源装置に用いる発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型の液晶ディスプレイ装置のバックライト装置では、冷陰極管が液晶パネルの直下に多数配置され、冷陰極管の発光を液晶パネル側に反射する反射板や、冷陰極管から発せられる発光を拡散させて面光源とする拡散板等の部材と共に使われていた。
【０００３】
近年、この種のバックライト装置の光源として、発光ダイオードが使用されるようになっている。発光ダイオードは、近年効率が向上し、蛍光灯に変わる消費電力の少ない光源として期待されている。また液晶ディスプレイ装置用の光源として発光ダイオードを用いた場合、映像に応じて発光ダイオードの明暗を制御することで、液晶表示装置の消費電力を下げることができる。
【０００４】
ところで、液晶表示装置用の発光ダイオードとしては、活性層にＧａＮ系の半導体を用いた青色発光ダイオードに蛍光体を組み合わせる方式のものが主流になりつつある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−７３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示すような発光ダイオードでは、発光ダイオードのチップの正面方向に最も多くの光が発光しており、レンズを用いて、光軸近傍の凹面でチップからの正面方向に向かう光を屈折により発散させることにより、被照射面における光軸近傍の照度を抑えて広がりのある照度分布にすることができる。
【０００７】
本発明はこのような現状に鑑みなされたもので、指向性の広い発光特性を有する発光ダイオード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】
【０００８】
このような目的を達成するために本発明の発光ダイオードは、透明な基板上に設けられ特定の波長の光を発光する発光層と、前記発光層から発光される光を反射する機能を有する第１の反射層と、前記第１の反射層とで前記発光層を挟むように設けた第２の反射層とを備えた発光ダイオードであって、前記第１の反射層と第２の反射層との間隔は、前記第２の反射層に入射角が２１度以上で入射する光が共振するように設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、指向性の広い発光特性を有する発光ダイオードを提供することにより、安価で高効率の面光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態による直下型バックライト装置の概略構成を示す斜視図
【図２】同バックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図
【図３】同バックライト装置に用いるＬＥＤの構造を示す断面図
【図４】同ＬＥＤのＬＥＤチップの構造を模式的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施の形態による発光ダイオードについて、直下型バックライト装置を例にとって、図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施の形態による直下型バックライト装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す直下型バックライト装置を用いた液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、図２は、図１のｘ−ｙ平面におけるＬＥＤの光軸を含む位置での概略断面を示している。ここで、図１、図２において、ｘ軸の方向を「横方向」と呼び、直下型バックライト装置１の光の出射方向であるｙ軸の正の方向を「正面方向」、ｙ軸の負の方向を「背面方向」と呼び、ｚ軸の正の方向を「上方向」、ｚ軸の負の方向を「下方向」と呼ぶ。
【００１３】
図１、図２に示すように、直下型バックライト装置１は、複数個のＬＥＤ２がマトリックス状に均等間隔で配列されるように反射板３の前面に配置され、そしてＬＥＤ２の正面方向側には、ＬＥＤ２との間に間隔をあけて、各種の光学シートが配置されている。すなわち、ＬＥＤ２の正面方向側には、ＬＥＤ２からの光および反射板３により反射された光を拡散させて面光源とするための拡散部材である拡散シート４と、拡散シート４を通して入射される光のうちの一部の光を透過するとともに、前記透過した光と混色することで白色の光となる特定の色の光に変換する波長変換手段としての波長変換シート５と、出射面の法線方向に向けて集光して出射することで出射光の正面輝度を上昇させる輝度上昇シート６とを配置することにより構成されている。前記ＬＥＤ２は、直下型バックライト装置１の構成によって適宜最適な数および間隔で配置される。例えば、直下型バックライト装置１の大きさ、厚み、ＬＥＤ２の配光特性等に応じて決定される。
【００１４】
また、この直下型バックライト装置１は、輝度上昇シート６の正面方向側の面を光の出射面として、白色の面状光を出射する。ここで、白色とは、色温度が３０００Ｋ〜１００００Ｋ以内のことをいう。
【００１５】
前記反射板３は、平板形状で、前記ＬＥＤ２の背面方向側に配置されている。前記反射板３は、少なくともＬＥＤ２が配置される前面に白色のポリエステルなどからなる拡散反射面３ａを形成しており、その拡散反射面３ａに到達した光を拡散して正面方向に反射する。つまり、反射板３に到達した光は、正面方向側に拡散して反射される。
【００１６】
前記拡散シート４は、平板形状で、ＬＥＤ２の正面方向側に、ＬＥＤ２および反射板３との間に間隔をあけて配置されている。この拡散シート４は、ＬＥＤ２側、すなわち拡散シート４の背面側から入射する光を拡散させ、そして一部の光は透過して前面から正面方向に出射するとともに、一部の光は反射して背面側（ＬＥＤ２側）に戻すように光を制御する。
【００１７】
前記波長変換シート５は、その略平板形状の外形形状を有しており、拡散シート４と後述する輝度上昇シート６との間に配置されている。波長変換シート５は、内部に蛍光体膜を有しており、この蛍光体膜は、ＬＥＤ２が発する青色の光によって励起されて、特定色の光、すなわち本実施の形態においては、蛍光体膜の作用により、青色の光の波長を、長波長側の発光主波長が５５０ｎｍ〜６１０ｎｍの黄色の光に変換し、正面方向に光を出射するものである。すなわち、この波長変換シート５は、背面側から入射する青色光の一部をそのまま透過させるとともに、蛍光体膜の波長変換作用によって一部の光を黄色の光に変換して透過させ、青色光と黄色光とを混色させることで、白色光を出射するものである。もちろん、青色光が多い場合には青色がかった白色光となり、黄色光が多い場合には、黄色がかった白色光となる。
【００１８】
前記輝度上昇シート６は、平板形状で、前記拡散シート４の前方に配置されている。輝度上昇シート６は、入射光の一部を背面方向に反射するとともに、一部を透過して出射面の法線方向に向けて集光して出射することで、出射光の正面輝度を上昇させるものである。具体的には、例えば輝度上昇シート６の前面にプリズムを設けた構成とすることにより、所定の角度の光だけを出射させることによって実現することができる。
【００１９】
以上の構成部材により直下型バックライト装置１が構成され、図２に示すように、この直下型バックライト装置１の正面方向に画像を表示する液晶パネル７を配置することにより、液晶表示装置が構成される。また、液晶パネル７は、透明電極とスイッチング素子としての薄膜トランジスタを形成した基板と偏向板を設けた基板との間に、液晶を封入することにより複数の画素を形成したパネルが構成され、それぞれの画素を画像信号に応じてスイッチングすることにより、パネルを透過するバックライトの光の量を調整して、所望の画像を表示するものである。ところで、図２においては、理解しやすくするために、拡散シート４、波長変換シート５、輝度上昇シート６の各シート間に隙間を設けた状態の図で示しているが、このような隙間を設けて各シートを配置する必要はない。
【００２０】
次に、本発明のバックライト装置に使用するＬＥＤ２について、詳細に説明する。
【００２１】
ＬＥＤ２は、発光主波長４３０〜４８０ｎｍの青色の光を発光するもので、図３に示すように、ＬＥＤチップ８をＬＥＤパッケージ９内に配置し、ＬＥＤチップ８を保護するための樹脂１０により封止することにより構成されている。また、ＬＥＤチップ８は、ＬＥＤパッケージ９の基板（図示せず）に配線部材により電気的に接続されている。なおここで、前記発光主波長とは、発光スペクトルにおいて発光強度の極大値を有する波長を意味している。また、図３において、点線Ａは、ＬＥＤ２の光の出射パターンを模式的に示すものである。
【００２２】
図４はＬＥＤチップ８の構造を模式的に示した断面図である。図４において、１１はＧａＮよりなる透明な基板で、この基板１１の一方の主面上に、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層１２、ｎ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｎ型クラッド層１３、ＩｎＧａＮ膜よりなる特定の波長の光を発光する活性層である発光層１４、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層１５、ｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層１６が順次積層形成されている。
【００２３】
また、前記発光層１４から発光される光を反射する機能を有するＡｇからなる第１の反射層１７が積層形成されている。１８はＴｉＯ2層とＳｉＯ2層とを交互に複数層積層して構成した第２の反射層で、この第２の反射層１８は、前記第１の反射層１７とで前記発光層１４を挟むように設けられている。１９はｎ型の電極、２０はｐ型の電極である。
【００２４】
図４において、ｎ型の電極１９とｐ型の電極２０の間に電圧を印加することにより、発光層１４が発光する。発光層１４から発光される光は等方発光であるので、発光された光のうち一部は第２の反射層１８および第１の反射層１７に向かい、一部はＬＥＤ２を構成する積層体のいずれかの界面で全反射され、また一部はＬＥＤ２を構成する積層体のいずれかの材質により吸収される。
【００２５】
ここで、第２の反射層１８の反射率は、第１の反射層１７の反射率より低く設定されており、発光層１４で発光した光は、反射を繰り返しながら第２の反射層１８より取り出される。
【００２６】
本実施の形態では、第１の反射層１７と第２の反射層１８は、共振器長Ｌ１の光共振器を構成し、発光層から発光された光の共振器内での波長をλとすると、共振器長Ｌ１は式１を満足する。
式１  ２Ｌ１＝ｍ１λｃｏｓθ
ここで、ｍ１は２以上の整数である。θは半導体層から第１の反射層１７と第２の反射層１８への光の入射角である。本実施の形態では、半導体層の媒質の屈折率を２．５としており、θは２１．２５度とした。
【００２７】
なお発光層１４と第１の反射層１７の距離をＬ２、発光層１４と第２の反射層１８の距離をＬ３とすると、Ｌ２及びＬ３は、式２、式３、式４の関係を満足する。
式２  ２Ｌ２＝（ｍ２＋０．５）λｃｏｓθ
式３  ２Ｌ３＝（ｍ３＋０．５）λｃｏｓθ
式４  ｍ１＝ｍ２＋ｍ３＋１
一般的に発光ダイオードから出射する光の指向性は、ランバーシャンに近い分布になることが知られている。すなわち光の出射角０ｄｅｇで光度は最大となり、出射角のコサインに比例する指向性となる。
【００２８】
一方、本実施の形態では、上記のような共振器の構成にすることで６４度近傍の光の強度が最大となり、ランバーシャンよりも広角度側に広がった指向性を得ることができる。
【００２９】
ここで、本実施の形態の発光ダイオードの作成方法について説明する。
【００３０】
基板１１の下面にＡｇを蒸着し、第１の反射層１７を形成する。次に、基板１１の第１の反射層１７の逆側の面の上にＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、発光層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６を形成する。続いて第２の反射層１８として、ＴｉＯ2層とＳｉＯ2層とを交互に複数層多層コーティングにより形成する。続いてイオンビームエッチングにより、電極を形成する部分までエッチング除去する。ｎ型の電極１９を形成する部分は、第２の反射層１８の側からｎ型コンタクト層１２の途中まで除去する。ｐ型の電極２０を形成する部分は、ｐ型コンタクト層１６の表面までエッチング除去を行う。続いて、ｎ型電極１９をｎ型コンタクト層１２の露出部に、ｐ型電極２０をｐ型コンタクト層１６の上に真空蒸着し、窒素中でアニールしてオーミック電極を形成する。
【００３１】
以上のように発光ダイオードを構成することで、広配光な発光ダイオードを実現できる。なお本実施の形態において、第２の反射層１８の角度反射特性に関して、入射角θの値と同程度に反射率のピークを有するように設定することで、より広配光な発光ダイオードを実現できる。
【００３２】
また本実施の形態において、第１の反射層１７はＡｇを用いたが、誘電多層膜を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように本発明は、高い輝度均一性を実現でき、液晶表示装置の面光源装置を得る上で有用な発明である。
【符号の説明】
【００３４】
１  直下型バックライト装置
２  ＬＥＤ
３  反射板
４  拡散シート
５  波長変換シート
６  輝度上昇シート
７  液晶パネル
８  ＬＥＤチップ
１１  基板
１２  ｎ型コンタクト層
１３  ｎ型クラッド層
１４  発光層
１５  ｐ型クラッド層
１６  ｐ型コンタクト層
１７  第１の反射層
１８  第２の反射層
【図１】
2013135031.tif 000003
【図２】
2013135031.tif 000004
【図３】
2013135031.tif 000005
【図４】
2013135031.tif 000006