(57)【要約】【課題】            光取り出し効率を向上した発光装置を提供すること。【解決手段】        発光装置10を、複数の発光素子１と、発光素子１を内包する封止体２と、発光素子１と封止体２の間に配置され、発光素子１の光の出射面および封止体２の材料よりも低い屈折率を有する低屈折部３と、で構成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子と、
前記発光素子を内包する封止体と、
前記発光素子と前記封止体の間に配置され、前記発光素子の光の出射面および前記封止体の材料よりも低い屈折率を有する低屈折部と、
を具備することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記出射面には、光を散乱又は回折させる第１凹凸構造を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１凹凸構造は、円錐状に形成されることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
【請求項４】
前記低屈折部は、空気であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
前記封止体は、前記発光素子からの光を低波長の光に変換する蛍光物質を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
前記封止体は、外側の面に光を散乱又は回折させる第２凹凸構造を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
前記第２凹凸構造は、円錐状に形成されることを特徴とする請求項６記載の発光装置。
【請求項８】
前記発光素子は、当該発光素子を保持する実装基板上に、隣接する発光素子同士の側面が正対しないように配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項９】
前記実装基板は、前記発光素子を傾斜させる傾斜部を有することを特徴とする請求項８記載の発光装置。
【請求項１０】
前記実装基板は、前記発光素子とそれに隣接する発光素子の高さを変えるための段差部を有することを特徴とする請求項８記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取出効率を向上させた発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）は、基本的には基板上にｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を積層した構造をもつ。そして、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の上に電極を形成し、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって発光層で光が発生する。当該光は、ｐ型半導体層上の透光性電極又は基板から取り出すようにした構造か採用されている。尚、透光性電極とは、ｐ型半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。
【０００３】
このようなＬＥＤを構成する半導体の多くは、発光波長領域における屈折率が３．２〜３．７程度と高く、一方、空気の屈折率が１程度と小さい。このため、発光領域から放出された光は、屈折率の大きい半導体層から屈折率の小さい大気に入射する際、臨界角よりも大きい入射角では大気との界面で全反射し、光の取出し効率が低下するという問題がある。そこで、ＬＥＤの化学的・物理的損傷からの保護も兼ねて、空気よりも屈折率の高い封止材がＬＥＤと密着した状態で当該ＬＥＤを封止している。また、封止材の表面に、ＬＥＤから放出される光の半波長よりも小さい平均ピッチを有する凹凸を設け、界面の平均屈折率が徐々に変化するようにして、当該封止材と空気の界面における全反射を抑えるものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１６８６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤチップを複数集積した発光装置の光取り出し効率はまだ不十分であった。
【０００６】
そこで本発明は、光取り出し効率を向上した発光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】
上記目的を達成するために、本発明の発光装置は、複数の発光素子と、前記発光素子を内包する封止体と、前記発光素子と前記封止体の間に配置され、前記発光素子の光の出射面および前記封止体の材料よりも低い屈折率を有する低屈折部と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
この場合、前記出射面には、光を散乱又は回折させる第１凹凸構造を有する方が好ましい。当該第１凹凸構造は、例えば、円錐状に形成することができる。
【０００９】
また、前記低屈折部は、空気を用いても良い。
【００１０】
また、前記封止体は、前記発光素子からの光を低波長の光に変換する蛍光物質を有するものであっても良い。また、前記封止体は、外側の面に光を散乱又は回折させる第２凹凸構造を有する方が好ましい。当該第２凹凸構造は、例えば、円錐状に形成することができる。
【００１１】
また、前記発光素子は、当該発光素子を保持する実装基板上に、隣接する発光素子同士の側面が正対しないように配置される方が好ましい。例えば、前記実装基板は、前記発光素子を傾斜させる傾斜部を有するように形成するか、又は、前記発光素子とそれに隣接する発光素子の高さを変えるための段差部を有するように形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発光装置は、発光素子と封止材の間に低屈折部を設けることにより、光取り出し効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の発光装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】従来の発光装置の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る格子状の凹凸構造を示す概略平面図である。
【図４】本発明に係るチェック状の凹凸構造を示す概略平面図である。
【図５】本発明の発光装置の傾斜部を示す概略断面図である。
【図６】本発明の発光装置の段差部を示す概略断面図である。
【図７】シミュレーションに用いた発光素子の構成を示す概略断面図である。
【図８】発光素子の発光素子の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の発光装置は、図１に示すように、複数の発光素子１と、発光素子１を内包する封止体２と、発光素子１と封止体２の間に配置される低屈折部３と、で主に構成される。
【００１５】
発光素子１は、例えば、ＬＥＤや有機ＥＬ等が該当する。ＬＥＤは、例えば図８に示すように、発光層84を含む半導体層８が少なくとも積層された積層部からなる。
【００１６】
積層部は、半導体層８や基板70が積層される部分を意味するが、例えば図８に示すように、III族窒化物半導体層８とサファイア基板70で構成される。発光素子１は、サファイア基板70側から光を取り出すものと、半導体層８側から光を取り出すものがある。本願では、この光を取り出す側の面を出射面とする。
【００１７】
III族窒化物半導体層８は、例えば、バッファ層82、ｎ型ＧａＮ層83、多重量子井戸活性層（発光層84）、電子ブロック層85、ｐ型ＧａＮ層86からなり、サファイア基板70側からこの順に形成される。また、ｐ型ＧａＮ層86上にはｐ側電極91が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層83上にはｎ側電極92が形成される。
【００１８】
バッファ層82は、サファイア基板70とｎ型ＧａＮ層83の間に形成され、ＡｌＮで構成されている。バッファ層82は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic ChemicalVapor Deposition）法やスパッタリング法により形成すれば良い。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層83は、バッファ層82上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層（発光層84）は、ｎ型ＧａＮ層83上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により光を発する。
【００１９】
電子ブロック層85は、多重量子井戸活性層（発光層84）上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層86は、電子ブロック層85上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層83からｐ型ＧａＮ層86までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。なお、少なくとも第１導電型層、活性層及び第２導電型層を有し、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、積層部の半導体層８の構成は他のものでも良い。
【００２０】
ｐ側電極91は、ｐ型ＧａＮ層86上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明な材料からなる。ｐ側電極91は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成すれば良い。
【００２１】
ｎ側電極92は、ｐ型ＧａＮ層86からｎ型ＧａＮ層83をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層83上に形成される。ｎ側電極92は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成すれば良い。
【００２２】
発光素子１は、出射面の逆側、例えばサファイア基板70の裏面側に、Ａｌ等からなる反射膜90を形成しても良い。図８の発光素子１においては、反射膜90とサファイア基板70の境界面が反射面をなしており、サファイア基板70を透過した光が反射面にて反射する。これにより、サファイア基板70を透過した光を光取り出し側へ戻すことができる。
【００２３】
封止体２は、腐食等の化学的損傷や衝撃等による物理的損傷から発光素子１を守るためのもので、発光素子１を内側に内包するように形成される。また、封止体２の形状は、目的に応じて任意に設定できるが、好ましくは平面状に形成する方が好ましい。
【００２４】
封止体２の材料としては、従来から知られているものを用いれば良い。また、封止体２には、発光素子１からの光を低波長の光に変換する蛍光物質を有していても良い。蛍光物質としては、従来から知られている物を用いれば良い。
【００２５】
低屈折部３は、発光素子１と封止体２の間に配置され、発光素子１の光の出射面の材料および封止体２の材料よりも低い屈折率を有する材料で形成される。低屈折部３を設けることにより、発光素子１の光取り出し効率の吸収を抑制することができる。当該低屈折部３の材料は、発光素子１の光の出射面の材料および封止体２の材料よりも低い屈折率を有する材料であればどのようなものでも良いが、例えば空気等の気体を用いることができる。また、真空であっても良い。
【００２６】
なお、発光素子１の出射面には、光を散乱又は回折させる第１凹凸構造を形成しても良い。また、封止体２の外側の面には、光を散乱又は回折させる第２凹凸構造形成しても良い。更に、出射面を発光素子１の基板70側に設ける場合には、半導体層８と基板70の間に、光を散乱又は回折させる第３凹凸構造を設けても良い。
【００２７】
これら第１〜第３凹凸構造は、光を散乱又は回折させることができるものであればどのようなものでも良い。例えば、光を散乱させるには、出射面を粗面にすれば良い。また、光を回折させるには、入射光がブラッグの回折条件に従って反射するように周期的に規則配列させた凹凸構造とすれば良い。回折させるための凹凸構造は、全反射の生じる臨界角をθｃとすると、入射角がθｃ度から９０−θｃ度までの入射光を出射角が±θｃ度以下に反射するように形成されたものである。ただし、回折による出射角は、入射光の波長によって決まるため、入射光が単色光でない場合には、入射光の波長の半値幅の波長範囲で、入射光を出射角が±θｃ度以下に反射するように形成されたものが好ましい。また、光の全反射は、屈折率の高い媒質から低い媒質へ入射する際に生じるため、凹凸構造は、境界を挟む媒質のうち屈折率の低い媒質が凸部21を構成し、屈折率の高い媒質が凹部22を満たすように形成される。
【００２８】
凹凸構造の形状としては、ピラー状や格子状、チェック状、ラインアンドスペース状のものを用いることができる。ピラー状の凹凸構造としては、例えば、円錐状や円柱状、錘状、または錘の上部を切り落とした錘台等がある。格子状の凹凸構造としては、例えば図３に示すように、（ａ）三角形、（ｂ）四角形、（ｃ）六角形等の多角形や、（ｄ）円等がある。特に、回折の制御に重要な凹凸構造の周期をそろえることができる点で正方形が最も好ましい。チェック状の凹凸構造とは、例えば図４に示すように、平面形状が同一である凸部と凹部を交互に配置したもので、例えば、（ａ）三角形、（ｂ）四角形、（ｃ）ひし形等の多角形がある。
【００２９】
このような凹凸構造は、従来から知られる方法で形成すれば良い。例えば、凹凸構造を形成したい基板上にレジスト膜を形成し、インプリント技術を用いて所定のパターンを当該レジスト膜に転写した後、エッチングにより基板上に凹凸構造を形成すれば良い。
【００３０】
また、発光素子１の側面から出射される光が隣接する発光素子１に入射し吸収されてしまうのを防止又は抑制するために、発光素子１は、当該発光素子１を保持する実装基板４上に、隣接する発光素子同士の側面が正対しないように配置する方が好ましい。例えば、図５に示すように、実装基板４は、発光素子を傾斜させる傾斜部を有するように形成することができる。当該傾斜の角度は、側面から出射される光が隣接する発光素子１に吸収されるのを防止又は抑制できればどの程度でも良いが、例えば実装基板４の表面に対して１〜１０度程度とすれば良い。これにより、発光素子１の両側の側面のうち基板側を向いている傾斜の下側の側面から出射する光は、実装基板４上で散乱されるため隣接する発光素子１に入射するのを防止又は抑制することができる。また、他方の側面から出射される光は、隣接する素子に入射する光もあるが、光を吸収する吸収層（主に発光層）から遠くなるため、吸収層と導波モードがほとんど重ならず、吸収は大幅に低減される。
【００３１】
また、発光素子１の側面から出射される光が隣接する発光素子１に入射し吸収されてしまうのを防止又は抑制するための別の方法として、実装基板４は、図６に示すように、発光素子１とそれに隣接する発光素子１の高さを変える段差部42を設けても良い。段差部42の高さは側面から出射される光が隣接する発光素子１に吸収されるのを防止又は抑制できればどの程度でも良いが、例えば１００〜３００μｍ程度異なれば良い。これにより、隣接する発光素子１のうち下側の発光素子１の側面から出射した光は、実装基板４上で散乱されるため隣接する発光素子１に入射するのを防止又は抑制することができる。また、上側の発光素子１の側面から出射した光は、隣接する素子に入射する光もあるが、光を吸収する吸収層（主に発光層）から遠くなるため、吸収層と導波モードがほとんど重ならず、吸収は大幅に低減される。
【００３２】
［シミュレーション］
次に、シミュレーションを用いて、本発明の発光装置（図１）と従来の発光装置（図２）の光取り出し効率を評価した。シミュレーションは、発光装置のうちＬＥＤの部分にシノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODを用い、その他の部分には、光線追跡ソフトを用いた。
【００３３】
本発明の発光装置10は、図１に示すように、実装基板４上に配置された複数のＬＥＤ（発光素子１）と、ＬＥＤを内包する封止体２と、ＬＥＤと封止体２の間に配置される空気層（低屈折部３）と、で構成した。また、従来の発光装置20は、実装基板４上に配置された複数のＬＥＤ（発光素子１）と、ＬＥＤと隙間なく密着して内包する封止体２と、で構成した。なお、両者は、封止体２の位置と空気層（低屈折部３）の位置以外は同じ構造のため、同一部分には同一符号を付けて説明する。
【００３４】
発光素子１は、図７に示すように、出射面701を有し屈折率が１．７８のサファイア基板700と、波長が４４０ｎｍの光を出射する発光層840を有する半導体層80と、銀からなる反射膜900とを主に備える１ｍｍ角のＬＥＤとした。また、サファイア基板700の出射面701を含む両面には円錐形上のモスアイ構造が形成されているものとした。なお、計算を簡単にするために電極等は省略した。また、隣接するＬＥＤ同士の隙間は０．１ｍｍとした。
【００３５】
実装基板４は、直径が１３ｍｍの円盤状とし、実装基板４とＬＥＤや空気層３との境界41には、光を９５％反射する反射ミラーが設けられているものとした。また、実装基板４の側面には、実装基板の上面（ＬＥＤが配置されている面）からの高さが０．３５ｍｍの側壁５を有し、当該側壁５と空気層３の境界にも光を９５％反射する反射ミラーが設けられているものとした。
【００３６】
次に、本発明の発光装置10と従来の発光装置20の相違点について説明する。本発明の発光装置10は、側壁５の上部に厚さ０．１ｍｍ、屈折率１．４５である封止体２を備え、当該封止体２と実装基板４、側壁５の内部に空気層３を有する構造である。一方、従来の発光装置20は、実装基板４と側壁５の内部にＬＥＤと隙間なく密着した屈折率１．４５の封止体２を備える構造である。すなわち、本発明の発光装置10は、従来の発光装置20の封止体２の部分が空気層３になり、その上面に封止体２を備えている。
【００３７】
本発明の発光装置10と従来の発光装置20についてシミュレーションした結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、発光素子１と封止体２の間に空気層（低屈折部３）を備える本発明の発光装置10は、従来の発光装置20に比べて光取り出し効率が向上した。
【符号の説明】
【００４０】
１  発光素子
２  封止体
３  低屈折部（空気層）
４  実装基板
５  側壁
41  傾斜部
42  段差部
84  発光層
701  出射面
840  発光層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017224759.tif 000008
【図６】
2017224759.tif 000009
【図７】
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【図８】
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