JPS6042880A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）　技　術　分　野 この発明は、より大きい発光パワーを取り出すことがで
きるようにした発光ダイオードに係る。

発光ダイオードは、ＧａＡｓ　、　ＧａＰ　、　ＧａＡ
ｓＰ　５ＧａＡＩＡｓ　。

ＩｎＰ　、ＩｎＡｓ　、　ＩｎＳｂなどの結晶にｐｎ接
合を形成し、順方向に電流を流すことにより発光する。

発光ダイオードは半導体チップに電極をつけ、リードと
′電極とをワイヤボンディングによって接続した構成を
持っている。金属製のケースにハーメチックシールした
ものもあり、リードに直接チップを固定し全体を透明の
樹脂でモールドしたものもある。

金属製ケースのものは、窓にレンズを取りつけ、集光性
を高めるようにしている。

（イ）従来技術とその問題点 第５図は従゛来の発光ダイオードのキャップを除いて示
す内部の断面図である。

円筒形状で下端が外側へ拡開した形状のアイレット１の
中へ、第１リード２、第２リード３が下方から挿入され
、ガラス層４によってアイレット１に対し固定されてい
る。

発光ダイオードチツ、ブ５は、第１リード２の上面の平
坦部７の上に固定されている。第１１Ｊ−ド２はこのた
め上面で直角に折れ曲っている。発光ダイオードチップ
５の上面にはリング電極が蒸着しであるが、これと第２
リード３とはワイヤボンディング６１によって接続され
ている。発光ダイオードチップ５の基板は第１リード２
とオーミック接触している。

このようにした後、第３図に示すキャップをかぶせ、内
部に窒素など不活性なガスを充積しておくＯ キャップの窓には、レンズを設けて、拡散する光を中心
軸近くへ集めるように工夫しである。

このような−発光ダイオードは、耐熱、耐寒性に優れる
。

しかしなお難点があること本発明者は考える。

発光ダイオードチップ５から出射された光は、とにかく
レンズによって集光できるかも知れない。

しかし、ｐｎ接合に電流を流し、注入された小数キャリ
ヤが再結合する時に放出する全ての光が発光ダイオード
チップ５の表面から出射できるわけではない。

チップ表面から出る悴に於て、既に損失がある。

これは、チップとケース内の空ゝ気、不活性なガスの屈
折率が違うことによる。

発光ダイオードチップが例えばＧａＡｓ単結晶の場合、
発光波長の光に対し屈折率は１．８である。チップに接
する空気の屈折率はｌである。チップから外部へ出る際
全反射が起って、外部へ出なし１光が存在する。

このため、発光したもの全てを外部へ徹り出すことがで
きない。

発光ダイオードは、ｎ又はｐ型基板に、ｐ又はｎ型のエ
ピタキシャル層を薄く成長させたもので、ｐｎ接合の近
傍の極く狭い遷移領域に於て発光する。

発光部はチップの表面近くではあるが、表面そのものに
あるのではなく、表面よりも内奥にある。

それ故、発光部から、チップ外へ出る際、全反射する部
分が必ず存在するわけである。チップと空気の屈折率の
差が大きいほど、全反射による損失は大きくなる。

（つ）　発明の課題 本発明の課題は、発光ダイオードチップと空気（又は窒
素などのガス、以下簡単のため空気という）の界面での
全反射を減少させることである。

ハブと空気の屈折率差が大きいから、強く全反射される
。そこで中間的な屈折率の平面層を設ければ良いように
見える。しかしながら、そうではない。空気と中間層と
の全反射条件だけを見れば、より多くの光が外部へ出る
ように見える。しかし、中間層とチップの界面での屈折
条件があるから、結局、同じことである。課題を解決す
ることにはならない。

に）本発明の構成 本発明の発光素子は、発光ダイオードチップの上に、外
部媒質より屈折率の高い透明の凸曲面層を設けている。

凸曲面層というのは中央で厚く、周辺で薄い曲面層のこ
とである。例えば球を平面で切り取った一部分や、回転
楕円体を平面で切り取った一部分、回転放物面を中心線
に対し垂直な平面で切り取った一部分などがこれに当る
。

外部媒質というのは、前述の発光ダイオードの構造では
、、−＋ヤツブ内の空気の事を指す。透明樹脂モールド
型の発光ダイオードの場合九外部媒質は、モールド体た
る透明樹脂のことである。

凸曲面層の屈折率は外部媒質のそれよりも高ければ”良
いのであって、発光ダイオードチップの屈面層の屈折率
は、外部媒質とチ・ンブの屈折率の中間にある、という
事は必要条件ではない６け）　実　施　例　Ｉ 金属製ケース内にハーメチックシールするタイプの発光
ダイオードについての実施例を述べる。

第１図は本発明の実施例に係る発光ダイオードのキャッ
プを除いた縦断面図である。第２図は同じものの平面図
を示す。

金属製の円筒状′のアイレット１の中へ、金属製の第１
リード２、第２リープ３が挿入されガラス層４によって
アイレット１に対し固定されている。

第１１Ｊ−ド２の頂上の平坦部７に、発光ダイオ＋＋。

一トチツブ５がボンディングされている。発光ダイオー
ドチップ５の上面のリング電極（図示せず）と第２リー
ド３とは、ワイヤボンディング６によって接続される。

４以上の構成は、従来のものと異ならない。本発明では
、さらに発光ダイオードチップ５の上に、半球型の透明
な凸曲面層８を設けている。これはシリコン樹脂を滴下
してそのまま自然に硬化させたものである。液滴の表面
張力により、自然に凸曲面を得ることができた。

このようにした後、従来法と同じく、第３図に示すキャ
ップ９をアイレット１にかぶせて、空気を封入（乾燥空
気、窒素その他年活性なガス）して密封する。キャップ
９の上部開口にはレンズ１０が取付けである。

シリコン樹脂の屈折率は１．４である。空気の屈折率１
より大きい。また、シリコン樹脂はＧａＡｓ発光ダイオ
ードの光に対し透明である。

（力）　実　施　例　置 本発明はモールド型の発光ダイオードにも適用できる〇 第４図は本発明の他の実施例を示す縦断面図である０ 第１１Ｊ−１２の上面平坦部７に発光ダイオードチップ
５が固定されており、第２リード３と、発光ダイオード
チップ５上面の電極とがワイヤボンディング６によって
つながれている。

さらに、この構造体の上部を透明の樹脂４こよりモール
ド１３しである。モールド型の発光ダイオードは安価で
ある、という利点があり、既に広く普及している。

本発明を適用して変ったところは、発光ダイオードチッ
プ５の上に透明の凸曲面層８を附加した、ということで
ある。これの屈折率は、モールド樹脂の屈折率より高い
。

リード２．３は銅合盃、モールド樹脂はエポキシ樹脂で
、発光ダイオードはＧａＡｌＡｓ結晶で作られている。

第１リード２がアノード、第２リード３はカソードで、
発光ダイオードチップ５はＰ型基板にｎ型層をエピタキ
シャル成長させたものである。

（１）　効　果 本発明は、発光ダイオードチップの上に、外部媒質より
屈折率の高い透明の凸曲面層を設けたので、チップと外
部媒質での境界面に於ける全反射を減すことができる。

従って、より多量の光を外部へ取り出すことができる。

発光パワーが実効的に増大する。第１図、第２図に示す
実施例に於て、従来構造のものと出力パワーを比較した
ところ、約２倍の出力が得られた。

し）　考　察 第６図は従来構造の発光ダイオードチップと空気界面の
屈折を考えるための略図である。０は発光中心、ｆがチ
ップ、空気の界面、ＭはＯよりｆへ下した垂線の足とし
、光はＯＰＱと進むものとするＯ 発光ダイオードΩ発光は／ＭＯＰ＝Ｑとして、ωＳ２θ
に比例する分布を、するものとする。

Ｐ点で光が屈折率ｎのチップから、屈折率１の空気に出
るとして全反射角θが存在する。

全発光強度Ｉは、 で示される。Ａは定数である。実際には、全反射角θ以
下のものしか出射しないので、出射光１番まである。出
射／発光の比率は 一　＝　１−　□□□〇　（３） Ｉ。

である。

全反射角ｅは、 ｓｉｎθ　＝　＝　（４） でめられる。従来の構造では、１の発光量に対し、μｓ
３θが損失になっていた、という事が分る。

第７図は凸曲面層ｇをこれに附加したものを示す略図で
ある。曲面ｇの中心Ｃは、直線ＭＯの０を越える延長中
にあるとする。曲率半径ＣＱは小さい方が良く、凸曲面
層の屈折率ｎ１は大きい方が良い。

光は０ＰＱと進む。／ＭＯＰ＝Ｑ、点Ｐでの屈折角ψ、
点Ｑでの屈折角／ＳＱ、Ｒをｉｌｌとする。１０ＣＱ＝
βとすると、／ＰＱＣ−ψ−βである。

光はＯからＰＳＱ％Ｒと進む。曲率半径ＣＱをｒ１発光
些０と曲面の中心Ｃの距離をａとする。

空気と曲面層の境界Ｑ点で ｓｉｎΦ　＝ｎＩＳ１１＋（ψ−β）（５）チップと曲
面層の境界Ｐ点で ｎ１ｓｉｎψ＝　ｎ５ｉｎθ　（６） という屈折の式が成立する。

ＯＭが狭く、０Ｃ１ＣＱが大きいとする（エピタキシャ
ル層が薄いので）。正弦定理によって、ｓｉｎ　ψｓｉ
ｎ　（ｔｐ−β） が成立つ。

Ｑ点での出射光がｆ面に平行になるのを臨界状態である
とする。

臨界状態で β＋＋ｐ　＝　−（８） である。

（５）〜（８）の式からｎ　ｓｉｎθ＝Ｘの臨界値をめ
る。

第６図の従来法では、こ、の臨界値に対応するものが１
であった。

これを解析的に解くことは難しいが、 という式を得る。第８図に（９）式の右辺をＪ、Ｋに分
解して示した。横軸はｘ１縦軸はｒ／ａである。

実線が（９）式の右辺の全体を示す。

ｒ／ａ　−＋　ｌというのは曲面ｇが平面になる極限で
ある。このときｘ＝１で、これは従来構造（第６図）に
対応している。

ｒ／ａは必らず１より大きい。第８図に於て、これが例
えばＵであるとする。Ｕを通りＸ軸に平行に引いた直線
と曲線の交点をＷとする。ＷからＸ軸に下した垂線の足
をＶとする。７点のＸ座標をＶとすると、 １　（Ｖ　（’ｎ□　（１０） であり、Ｏ点か゛ら角θで出射する光が外部へ出られる
臨界値θ１は、 ｓｉｎ　ｅｌ　＝　−（１１） によって決定される。Ｖはｌより大きいので、（４）式
のθより、θ１の方が大きい。

θ１を大きくするに′は、曲面ｇの中心Ｃと発光中心０
の距離ａを小さくすればよい。

凸曲面層８の屈折率ｎ１が、空気の屈折率ｎｏ＝１（又
は外部媒質）より大きくなければならない理由を説明す
る。

第８図に於て、Ｘが０からｎｌまて、式（９）の右辺は
単調増加し、ｘ＝ｎ１で発散する。ｒ／ａがいかなる値
であっても、ＸはＯからｎｌまでの解を持つ。

この解をＸｏとすると臨界角θ。は、 ｎ　ｓｉｎθ。＝　ｘｏ＜　１　（１０）でめられる。

この仮想的な臨界角θ。は、凸曲面層が無い時の、従来
構造Ω臨界角θよりも小さし１゜臨界角が狭くなるから
、発光部から外部へ取り出せる光量はかえって減少して
しまう。故にｎ□〉ｎ。

である。

ここでは簡単のため、外部媒質の屈折率ｎｏを１とした
。しかし、一般に１でなくても同じことで、全ての式は
、外部媒質の屈折率ｎｏで、ｎｌ、ｎを除したものを、
これまでの式のｎｌ、ｎであるとみなせ、ば、同様に成
立する。

本発明の方が発光量のより多くの割合いをチップの外へ
取り出すことができる、という事が分る。

以上の考察は出射光が水平方向に向うものまでを考えて
、臨界角θをめている。しかし実際は、水平方向までの
光（−π／２からπ／２）が全て前方へ進むわけではな
く、レンズの開口が大きくても、ある範囲（−ψからψ
）に限られた光のみが前方へ取り出される。

たとえそうしても＼（４）　、（１１）式に僅かな変化
があるだけで、臨界角は本発明の方が常に広い。

（７）　適　用　範　囲 本発明は、単体の発光ダイオードとしてパッケージに収
められたものだけでなく、光集積回路の一部分をなす発
光ダイオードの発光部にも適用することができる。この
場合、集積回路基板の一部にｐｎ接合を作り発光させる
から、ダイオードチップが独立して存在しない。、この
場合でも、発光ダイオード素子の発光部の上に外部媒質
より屈折率の高い透明の凸曲面層を設ければ良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る発光ダイオードのＦ（Ｅ
ＰｔＴ面図（キャップを取り除いである）。 第２図は同じものの平面図。 第３図はキャップの一部縦断正面図。 第４図は他の実施例に係る発光ダイオードの縦断面図。 第５図は従来例に係る発光ダイオードの縦断面図。 第６図は発光ダイオードチップから空気中へ出射する光
線の屈折と全反射を説明するための図。 第７図は発光ダイオードチップ上に凸曲面層ｇを設けた
時の、発光部から屈折を重ねて出射する光の角°度関係
を考察するための図。 第８図（１１にｘ　（ｎ５ｉｎｏ）、縦軸にｒ／ａを取
り、ｒ／ａの変化によって、臨界値Ｘがどのように変イ
都−するかを示すグラフ。ｒ／ａ＝υとすれハ、ｎ＝Ｖ
である。 １　・・・・・・・・・　アイレット ２．３・・・・・・・・・、リード ４　・・・・・・・・・　ガラス層 ５　・・・・・・・・・　発光ダイオードチップ６　・
・・・・・・・・　ワイヤボンディング７　・・・・・
・・・・　上面平坦部 ８　・・・・・・・・・　凸曲面層 ９　・・・・・・・・・　キャップ １０　・・・　・・・　・・・　し　ン　ズ発　明　者
　林　享　三 坂　本　福　馬 特許出願人　住友電気工業株式会社 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発光ダイオード素子の発光部の上に、外部媒質より屈折
   率の高い透明の凸曲面層を設け、かつ、ガラス窓付きキ
   ャップで封止し又は透明樹脂モールドした事を特徴とす
   る発光素子。