JP2007258486A - 白色発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】従来構造よりも生産性が高く、発光強度に優れた白色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】基板１０の一方の面側にＧａＮ系ＬＥＤ層１２が設けられ、ＧａＮ系ＬＥＤ層１２にカソード電極１２ａおよびアノード電極１２ｂが設けられ、基板１０の他方の面側に蛍光体含有層１４と反射鏡１６とが順次設けられていることを特徴とする白色発光ダイオードである。蛍光体含有層１４の厚みは、２５〜１５０μｍであることが好ましい。また、蛍光体含有層１４は、蛍光体とこれを分散するガラス系材料とを含むことが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色発光ダイオードに関し、特に、共振型の白色発光ダイオードに関する。

白色発光ダイオード（以下、「白色ＬＥＤ」ということがある）は、光電変換部であるＬＥＤ部分と、このＬＥＤによって発生した光から白色を得るための補色光発生部（波長変換部）である蛍光体部分とから構成される。例えば、ＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、この青色光によってＹＡＧ蛍光体を励起し黄色の発光を得、青色と黄色との両者を混ぜ合わせることにより白色を得ることができる。そのほかに紫外ＬＥＤを用い、それによって励起される蛍光体から３原色などの発光を得ることにより白色に変換する方法も検討されている。

現状の白色ＬＥＤとしては、主に青色光をダイオードから、黄色光を蛍光体から得ることにより両者の混色として白色光を出力する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記構造は、図２に示すように、引出電極２２を有する樹脂ケース２０上に青色ＬＥＤチップ２８が設けられ、その上に透明樹脂２６に分散されたＹＡＧ蛍光体２４が充填されている。青色ＬＥＤの発光のうちの一部は、ＹＡＧ蛍光体２４を励起して黄色発光させて、他の一部はそのまま透過して青色を発光する。そして、外部には、青色と黄色とが混色して白色光が得られる。

白色ＬＥＤの効率はすでに白熱電球を上回っており、さらに蛍光灯の効率をも上回ることができれば、蛍光灯のＬＥＤへの置き換えも可能となる。そのためにはＬＥＤの電気−光変換効率の向上、蛍光体の光−光変換効率の向上、光の取り出し効率の向上などが課題である。

すなわち、蛍光灯と比較した場合、効率が低いため、より電気光変換効率のよいＬＥＤが求められている。ＬＥＤの発光効率および光の取り出し効率はかなり向上しているが、蛍光体の励起効率（光−光変換効率）を向上させることも必要である。

蛍光体の励起方法には透過型（図３）と反射型（図４）とがある。図３は、透過型の例であり、リードフレーム３０上にフリップチップＬＥＤ３２と、蛍光体層３７、紫外線反射層３８、およびガラス基板３９とが積層して設けられている。そして、これらの層が封止樹脂３６中に充填されている。ＬＥＤからの光は、一度だけ蛍光体層３７を通過し、白色光を発する構成となっている。

図４は、反射型の例であり、一対の引出電極４２を配線した樹脂ケース４０の凹内面に蛍光体層４４が形成され、上部にはフリップチップＬＥＤ４５、電極パターン４８、紫外線反射膜４９、ガラス基板５０が設けられている。蛍光体層４４とフリップチップＬＥＤ４５等との間の空隙には、樹脂４６または不活性ガスが充填されている。かかる構成もＬＥＤからの光は、一度だけ蛍光体層３７を通過し、白色光を発する構成となっている。

上記のような従来技術では、反射型のほうが励起強度の高い光を有効に取り出すことが可能であるが、構造が簡単で作製が容易であることから透過型が主に使用されている。透過型の場合、蛍光体の厚さを最適化することにより最も効率的に白色光を取り出すことが可能となる。一方で、反射型では励起強度の高い表面からの蛍光を有効に取り出すことができるため、薄い蛍光体膜厚でより高い輝度を実現することが可能である。しかし、構造が複雑になるという欠点がある。
特開平７−９９３４５

以上から、本発明は、上記従来の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、従来構造よりも生産性が高く、発光強度に優れた白色発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、本発明者らは、下記本発明に想到し、当該課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は、基板の一方の面側にＧａＮ系ＬＥＤ層が設けられ、前記ＧａＮ系ＬＥＤ層にカソード電極およびアノード電極が設けられ、前記基板の他方の面側に蛍光体含有層と反射鏡とが順次設けられていることを特徴とする白色発光ダイオードである。

反射鏡の一態様であるアノード電極と他の反射鏡とからなる共振器の形成によりＬＥＤの発する励起光はこの共振器内部に閉じ込められるため、ＬＥＤのチップ直上における光強度は共振器を形成しない場合と比較して高くなる。光強度の高められた共振器内部に蛍光体を挿入することにより、蛍光体の励起強度を向上させることが可能となる。

上記の効果により高効率の波長変換が可能になる。また、光強度の増加によって、より薄い蛍光体層によって高い発光強度を得ることが可能になり、蛍光体の使用量を低減することができ、コストの低減につながる。すなわち、生産性が向上するといえる。また、より薄い蛍光体層にできることにより、蛍光体の再吸収による遮蔽効果を低減することができる。励起光源として紫外ＬＥＤを用いた場合は、共振器のミラーの反射率を１に近づけることにより、外部に放射される紫外線を有効に低減することができる。

前記蛍光体含有層の厚みは、２０〜１５０μｍであることが好ましい。２０〜１５０μｍとすることで、良好な発光特性を維持しながら、簡易な構成の白色発光ダイオードを実現することができる。

また、前記蛍光体含有層は、蛍光体とこれを分散保持するガラス系材料とを含むことが好ましい。ガラス系材料を使用することで、蛍光体含有層を平坦化させることが可能となり、その上に形成される反射鏡も平坦化させることができる。

本発明の白色発光ダイオードは、図１に示すように、基板１０の一方の面側にＧａＮ系ＬＥＤ層１２が設けられ、ＧａＮ系ＬＥＤ層１２上にカソード電極１２ａおよびアノード電極１２ｂが設けられている。また、基板１０の他方の面側には、蛍光体含有層１４と反射鏡１６とが順次設けられている。

本発明の白色発光ダイオードは、発光に寄与するＬＥＤおよび蛍光体が、アノード電極１２ｂと反射鏡１６との間に設けられ、アノード電極１２ｂと反射鏡１６とが共振器を形成するための２つの鏡の役割を有している。共振器を構成する２枚の鏡は励起波長の全部あるいは一部を共振器内部に閉じ込めると同時に、蛍光体の発光波長に対しては一方の鏡はすべてを反射し、もう一方（光取り出し側）の鏡はほとんどすべてを透過可能なものとすることが好ましい。

ここで、ＬＥＤの発光波長は蛍光体を励起できるものであって、主に青色から紫外の発光を有するものであることが必要である。そのため、ＧａＮ系ＬＥＤが採用される。当該ＧａＮ系ＬＥＤ層１２の厚みは、１〜１０μｍ程度であることが好ましく、２〜６μｍであることがより好ましい。ＧａＮ系ＬＥＤ層１２は公知のＭＯＣＶＤ法により形成することができる。

カソード電極１２ａは、Ａｌなどを使用することができる。アノード電極１２ｂは、Ａｇなどを使用することができる。カソード電極１２ａは、電流を供給するためのもので、ｎ型ＧａＮ上でＬＥＤの発光領域の周囲に設けることが好ましい。アノード電極１２ｂは、ｐ型ＧａＮ上で発光領域の全面に渡り設けることが好ましい。これらの電極は、公知の真空蒸着法あるいはスパッタリング法により形成することができる。

蛍光体含有層１４に含有される蛍光体は、青色から紫外の発光波長によって励起されるとともに、蛍光体の発光あるいはＬＥＤの発光が混ざり合うことによって白色が得られるものであることが必要である。具体的には、ＹＡＧやサイアロンを使用することができる。

蛍光体含有層１４中の蛍光体を分散させるマトリックスとしては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を使用することができるが、蛍光体含有層１４上に平坦な反射鏡を設けることを考慮すると、ＳＯＧ（スピンオングラス）といったガラス系材料を使用することが好ましい。ＳＯＧを使用することで、平坦な蛍光体含有層１４を形成することが可能となり、その上に形成する反射鏡も平坦なものとすることができる。

蛍光体とこれを分散するガラス系材料（例えば、ＳＯＧ）とを含む蛍光体含有層（ＳＯＧ膜）は、シロキサンまたはシリケートを溶剤に混合させてＳＯＧ溶液を調製しこれに蛍光体を添加（例えば、１０〜２０質量％）して、ノズルを通じて基板上にＳＯＧ溶液を滴下して回転塗布（スピンコート）を実施した後、脱水及び凝縮のためにベーク又はキュリング行って、形成することができる。スピンコートの回転数は、１０００〜５０００ｒｐｍとすることが好ましい。

ここで、ＳＯＧは、好ましくは側鎖（side chain）がＣ_ｘＨ_２ｘ＋１（ｘは自然数）の結合構造を有する有機シリコン系であり、また、溶剤は、好ましくはエーテル系の溶剤であり、より好ましくはプロピレングリコールジメチルエーテルを使用する。しかし、エーテル系溶剤より性能は良くないがアルコール系の溶剤も使用することができる。

蛍光体含有層１４の厚みは、２０〜１５０μｍであることが好ましく、４０〜１４０μｍであることがより好ましい。かかる範囲とすることで、良好な発光特性を維持しながら、簡易な構成の白色発光ダイオードを実現することができる。

反射鏡１６は、既述のように、アノード電極１２ｂと共に共振器を構成する。反射鏡１６としては、ＳｉＯ／ＨｆＯ、ＳｉＯ／ＭｇＯ、ＳｉＯ／ＹＯ、ＳｉＯとＴｉＯとを積層した誘電体反射層、ＳｉＯとＺｒＯとを積層した誘電体反射層を用いることが好ましい。反射鏡を構成する各層の厚みは、その屈折率をｎとしたとき、λ／４ｎ（λはＬＥＤの発光波長）となることが好ましい。例えば、誘電体反射層は、それぞれの層を公知のスパッタリングにより、形成することができる。

なお、アノード電極１２ｂを反射鏡とせずに、別途反射鏡を設けてもよい。この場合、反射鏡としては、既述の誘電体反射層や金属を使用することができる。そして、当該反射鏡を設ける場合は、アノード電極１２ｂは、透明電極とすることが好ましく、例えば、ＩＴＯやＺｎＯを使用することができる。

本発明の白色発光ダイオードについて、蛍光体含有層の厚みを変化させて、当該厚みと放射強度との関係を調査した。

具体的には、図１に示す構成の白色発光ダイオードについて調査した。まず、近紫外域（３８５ｎｍ）で発光する発光ダイオードとして、ＩｎＧａＡｌＮからなるＧａＮ系ＬＥＤ層１２を、両面を鏡面研磨されたサファイヤ基板（厚さ４３０μｍ）１０上に形成した。フォトレジストを用いたパターニングとＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いたＲＩＥによりｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層の一部を露出させ、Ａｌからなるカソード電極１２ａを形成した。また、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ表面にアノード電極１２ｂを形成した。ここではアノード電極としてＡｇを用いることにより近紫外光に対して９０％の高い反射率を得ている。これによって、このＡｇ電極は、既に述べた共振器を構成する一端の鏡として作用する。

蛍光体（Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ，（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ，（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ）を重量比１：１．３：０．１５で混合しＳＯＧに重量比２０％で混合してサファイヤ基板裏面に塗布し、蛍光体含有層１４を形成した。これによって蛍光体を塗布した層の平坦性を得ることができる。続いてその上にスパッタリングを用いてＳｉＯ（厚さ６５ｎｍ）およびＺｒＯ（厚さ４５ｎｍ）を交互に３周期（それぞれ３層）ほど積層し、反射鏡１６を設けることによって蛍光体の発する可視光の透過率が高く、ＬＥＤの発する近紫外光の反射率の高い鏡を具備する白色発光ダイオードを作製した。

図５に、上記白色発光ダイオードの放射強度の蛍光体含有層の厚さ依存性を示す。また、比較として、透過型（図３参照）および反射型（図４参照）の各構造の白色発光ダイオードにおける放射強度の蛍光体層の厚さ依存性を示す。図５より、共振型である本発明の白色発光ダイオードの採用により従来構造よりも薄い蛍光体含有層で最も高い発光強度が得られることが確認できた。

本発明の白色発光ダイオードの層構成を示す断面図である。 従来の白色発光ダイオードの層構成を示す断面図である。 透過型の白色発光ダイオードの層構成を示す断面図である。 反射型の白色発光ダイオードの層構成を示す断面図である。 白色発光ダイオードの放射強度の蛍光体含有層の厚さ依存性を示す図である。

符号の説明

１０・・・基板
１２・・・ＧａＮ系ＬＥＤ層
１２ａ・・・カソード電極
１２ｂ・・・アノード電極
１４・・・蛍光体含有層
１６・・・反射鏡

Claims (3)

1. 基板の一方の面側にＧａＮ系ＬＥＤ層が設けられ、前記ＧａＮ系ＬＥＤ層にカソード電極およびアノード電極が設けられ、
   前記基板の他方の面側に蛍光体含有層と反射鏡とが順次設けられていることを特徴とする白色発光ダイオード。
2. 前記蛍光体含有層の厚みが、２５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光ダイオード。
3. 前記蛍光体含有層が、蛍光体とこれを分散保持するガラス系材料とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の白色発光ダイオード。

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