JP6383539B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本実施形態は、発光装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ（Light Emitting Diode））が、照明または液晶表示装置のバックライト等に利用されている。照明またはバックライト等に用いられる白色光を得るために、青色光の一部を黄色光に変換する蛍光体が青色発光ＬＥＤに適用されることがある。この場合、ＬＥＤからの青色光と蛍光体に変換された黄色光とを混合することによって白色光が出力される。

通常、蛍光体は、発光強度の高いＬＥＤの中心付近の色度バランスあるいは強度バランスに基づいて調整される。しかし、ＬＥＤチップの端部においてＬＥＤの黄色光の強度が比較的強くなり、青色光の強度が比較的弱くなる。このため、ＬＥＤチップの端部において、青色発光と黄色発光との色度バランスが崩れ、黄色光の強度が過剰に強くなる場合がある。このように色度バランスが崩れると、ＬＥＤからの光に色ムラが発生する。

米国特許公開第２００９／２７２９９６号明細書（特開２００９−２７２６３４号公報）

発光強度または輝度を維持しつつ、色ムラの少ない発光装置を提供する。

本発明の一実施形態による発光装置は、基板と、前記基板上に設けられた発光部とを含む発光素子と、前記発光素子を被覆する第１の膜と、前記第１の膜上に設けられ、前記発光素子の光取出し面の少なくとも中心部の上方を部分的に被覆し、前記発光素子の前記光取出し面の端部の上方を被覆しない蛍光膜と、前記蛍光膜上に設けられた透明部と、前記発光素子の前記基板の側面を被覆し、かつ、前記第１の膜の下に設けられ、前記発光素子からの光を反射する反射膜と、を備える。

第１の実施形態に従ったＬＥＤ１００の構成の一例を示す断面図。 発光面全体に蛍光体が設けられたＬＥＤの色度変化を示すグラフ。 発光面全体に蛍光体が設けられ、かつ、レンズに分散剤を含むＬＥＤの色度変化を示すグラフ。 第１の実施形態によるＬＥＤ１００の色度変化を示すグラフ。 第２の実施形態に従ったＬＥＤ２００の構成の一例を示す断面図。 第３の実施形態に従ったＬＥＤ３００の構成の一例を示す断面図。 第４の実施形態に従ったＬＥＤ４００の構成の一例を示す断面図。 第５の実施形態に従ったＬＥＤ５００の構成の一例を示す断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に従ったＬＥＤ１００の構成の一例を示す断面図である。ＬＥＤ１００は、支持基板１０と、電極２０と、ＬＥＤチップ３０と、中間膜４０と、蛍光膜５０と、レンズ６０とを備えている。

支持基板１０は、例えば、セラミック等の絶縁材料、あるいは、金属等の導電材料を用いて形成されている。電極２０は、支持基板１０上に形成されており、ＬＥＤチップ３０のいずれかの箇所と電気的に接続されている。例えば、電極２０は、ＬＥＤチップ３０の底面、あるいは、ＬＥＤチップ３０の表面に設けられたパッドにワイヤを介して電気的に接続されている。

発光素子としてのＬＥＤチップ３０は、電気エネルギーを光に変換する半導体デバイスである。ＬＥＤチップ３０は、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ等のチップ基板上にＰ型クラッド層とＮ型クラッド層との間に設けられた活性層（図示せず）を有する。ＬＥＤチップ３０は、青色光を発光する発光素子である。ＬＥＤチップ３０を発光させる場合、Ｐ型クラッド層とＮ型クラッド層とに電圧を印加し、活性層にホールおよび電子を注入する。活性層に注入されたホールおよび電子が再結合すると、活性層が光を放射する。光は、基板がシリコンの場合にはＬＥＤチップ３０の発光面（光取出し面）から放射され、基板がサファイアまたはＳｉＣの場合にはＬＥＤチップ３０のチップ基板全体から放射される。

第１の膜としての中間膜４０は、ＬＥＤチップ３０の表面および側面を被覆する。中間膜４０は、ＬＥＤチップ３０の表面全体を被覆しており、その表面の中心部だけでなく、端部も被覆している。また、中間膜４０は、電極２０の表面も被覆している。中間膜４０の屈折率は、レンズ６０の屈折率よりも大きく、ＬＥＤチップ３０の表面部の屈折率よりも小さい。中間膜４０は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等の材料を用いて形成されている。

蛍光膜５０は、中間膜４０上に設けられており、ＬＥＤチップ３０の上面（光取出し面）の中心部の上方を被覆している。一方、蛍光膜５０は、ＬＥＤチップ３０の端部の上方を被覆していない。即ち、蛍光膜５０は、ＬＥＤチップ３０の表面の面積（チップサイズ）よりも小さいサイズを有する。例えば、蛍光膜５０は、チップサイズよりも数μｍ〜数１０μｍほど小さい。ＬＥＤチップ３０の上面の上方から見た場合に、蛍光膜５０の外縁は、ＬＥＤチップ３０の外縁の内側にある。

蛍光膜５０は、ＬＥＤチップ３０からの青色光の一部を黄色光に波長変換することができる材料からなり、例えば、Ｃｅ(セリウム)をドープしたＹＡＧ(イットニウムアルミニウムガーネット)等の蛍光体を分散させた樹脂を用いて形成されている。ＬＥＤチップ３０からの青色光および蛍光膜５０によって変換された黄色光の両者を混合することによって白色光が出力され得る。

透明部としてのレンズ６０は、蛍光膜５０および中間膜４０を被覆するように設けられており、凸レンズの形状（半球形状）を有する。レンズ６０は、透明樹脂を用いて形成されている。レンズ６０の材料は、蛍光膜５０から蛍光体を除いた樹脂材と同じ材料でもよい。レンズ６０には、発光素子からの光を分散させる分散剤を含まない。従って、レンズ６０は、蛍光膜５０または中間膜４０からの光を減衰させることなく透過させる。レンズ６０および蛍光膜５０は、中間膜４０よりも屈折率において小さい。従って、レンズ６０および蛍光膜５０は、ＬＥＤチップ３０からの光をほとんど反射することなく空気中へ伝搬することができる。

本実施形態によるＬＥＤ１００の製造方法は以下のとおりである。電極２０の材料を支持基板１０上に堆積する。次に、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、電極２０の材料を加工する。次に、電極２０上にボンディングペーストを塗布してその上にＬＥＤチップ３０を搭載する。次に、塗布あるいはスパッタ等を用いて中間膜４０の材料（例えば、樹脂または誘電体）をＬＥＤチップ３０上に堆積する。尚、中間膜４０は、ＬＥＤ１００のパッケージの端まで設けられている必要はなく、レンズ６０により集光可能な領域に設けられていればよい。次に、蛍光膜５０の材料（例えば、蛍光体を混合した樹脂）をＬＥＤチップ３０の表面の中心部上方の中間膜４０に部分的に塗布する。あるいは、蛍光膜５０は、蛍光体を含む樹脂シートを適切なサイズにカットしてＬＥＤチップ３０の表面の中心部に貼り付けることによって形成してもよい。次に、レンズ６（中間膜４０の屈折率よりも低屈折率の樹脂）を中間膜４０および蛍光膜５０上に形成する。これにより、本実施形態によるＬＥＤ１００が完成する。

一般に、ＬＥＤの表面全体に蛍光膜を有し、レンズに分散剤が含まれていない場合、ＬＥＤの端部において、ＬＥＤの黄色光の強度は青色光の強度より強くなる。従って、ＬＥＤの発光面の中心部において、白色光を得るために青色発光と黄色発光との色度バランスを調整したとしても、ＬＥＤの発光面の端部において、色度バランスが崩れてしまう。例えば、図２は、発光面全体に蛍光体が設けられたＬＥＤの色度変化を示すグラフである。尚、このＬＥＤのレンズには、分散剤が含まれていない。図２のグラフにおいて、ＬＥＤの発光面に対して垂直方向（正面方向）が角度０度であり、その正面方向と成す角度が横軸に示されている。縦軸は、所謂、ｘｙ色度図の色度（Ｃｘ、Ｃｙ）を示す。Ｃｘがｘ方向の色度を示し、Ｃｙがｙ方向の色度を示す。ここで、白色光を得るための色度は、Ｃｘ＝０．３３、Ｃｙ＝０．３３とし、この値を基準値にしている。グラフでは、縦軸の原点（０）が基準値（Ｃｘ＝０．３３、Ｃｙ＝０．３３）である。

図２に示すように、ＬＥＤの発光面の正面（０度）から見ると、青色光および黄色光の色度バランスが適切であり、白色光が得られていることが分かる。しかし、ＬＥＤの発光面の端部から見た場合、黄色光の色度が強く、光は黄色に見える。即ち、蛍光体が設けられていても、ＬＥＤの端部においてＣｘとＣｙとの差（あるいは基準値からの差）が大きく、ＬＥＤからの光に色ムラが発生していることが分かる。このようにＬＥＤの端部において色ムラが発生する理由は次のとおりである。ＬＥＤの発光面を斜め方向から見た場合、ＬＥＤからの光は、蛍光体を斜めに通過するため、蛍光体の通過経路が比較的長くなる。従って、ＬＥＤの発光面の斜め方向に出力される光の多くが黄色に変換される。このため、ＬＥＤの発光面を斜め方向から見た場合、ＬＥＤからの光は黄色光の成分を多く含み、黄色味を帯びる。その結果、ＬＥＤの端部において色ムラが発生する。

図３は、発光面全体に蛍光体が設けられ、かつ、レンズに分散剤（例えば、粒径が１ｎｍ〜５μｍのＴｉＯ_２）を含むＬＥＤの色度変化を示すグラフである。分散剤によって、ＬＥＤの正面からの光とＬＥＤの端部からの光とが混合されるため、ＬＥＤの端部において色度のずれが比較的小さくなる。即ち、色度ムラが小さくなる。しかし、分散剤によって、ＬＥＤ全体の光強度または輝度が低下してしまう。尚、分散剤は、ＬＥＤからの青色光および黄色光を分散または混合することによって白色光にする。従って、分散剤は、色ムラを抑制することができる。

図４は、第１の実施形態によるＬＥＤ１００の色度変化を示すグラフである。本実施形態によるＬＥＤ１００では、蛍光膜５０がＬＥＤ１００の光取出し面の中心部を部分的に被覆している。これにより、ＬＥＤ１００からの青色光の一部が蛍光膜５０によって黄色光に変換される。従って、ＬＥＤ１００を光取出し面の正面から見たときに、色度（Ｃｘ、Ｃｙ）の差はほとんど無く、ほぼ基準値（Ｃｘ＝０．３３、Ｃｙ＝０．３３）となっている。即ち、ＬＥＤ１００からの光は白色光に見える。

また、ＬＥＤチップ３０と蛍光膜５０との間には、中間膜４０が介在している。中間膜４０は、蛍光膜５０およびレンズ６０よりも高い屈折率を有する。従って、中間膜４０から蛍光膜５０への臨界角が比較的小さくＬＥＤチップ３０からの光は中間膜４０と蛍光膜５０との界面において反射しやすい。よって、ＬＥＤチップ３０からの青色光の一部は、臨界角以上の角度で中間膜４０と蛍光膜５０との界面に入射し反射する。反射した青色光は、多重反射し、ＬＥＤチップ３０の端へ導波される。蛍光膜５０はＬＥＤチップ３０の端を被覆していないので、導波された青色光は、ＬＥＤチップ３０の端からレンズ６０へ取り出される。蛍光膜５０を斜め方向に通過する光は、黄色光の成分を多く含むが、一方、中間膜４０は、ＬＥＤチップ３０の端へ青色光の一部を導波している。従って、中間膜４０は、ＬＥＤチップ３０の両端に青色光の成分を多く供給する。これにより、図４に示すように、ＬＥＤチップ３０の端部においても、色度（Ｃｘ、Ｃｙ）は、基準値（Ｃｘ＝０．３３、Ｃｙ＝０．３３）に近くなる。即ち、本実施形態によれば、蛍光膜５０をＬＥＤチップ３０の中心部に部分的に設け、かつ、中間膜４０を蛍光膜５０とＬＥＤチップ３０との間に設けることによって、ＬＥＤチップ３０の端部に青色光の一部を伝播している。その結果、ＬＥＤ１００は、ＬＥＤチップ３０の中心部からだけでなく、その端部からも色度ずれの小さな白色光を出力することができ、全体としてムラの少ない均一な白色光を出力することができる。

レンズ６０に散乱剤を入れる必要が無くなり、光強度または輝度の低下を抑制することができる。即ち、本実施形態では、レンズ６０が分散剤を含まない透明材料で形成されている。従って、ＬＥＤチップ３０からの光の強度または輝度は、レンズ６０においてさほど低下しない。また、蛍光膜５０により長波長に変換された光成分（黄色光成分）は、ＬＥＤチップ３０の活性層において再吸収されない。活性層のエネルギーバンドギャップが、大きいためエネルギーの小さい長波長光は吸収されないからである。

尚、実験では、図３を参照して説明したＬＥＤの光束に比較して、本実施形態によるＬＥＤ１００の光束は、約１．３倍増大した。よって、本実施形態によるＬＥＤ１００は、発光強度または輝度を維持しつつ、色ムラの少ない均一な白色光を出力することができる。

ＬＥＤチップ３０の発光部はレンズ６０の中心部付近に配置される。これにより、光はレンズ６０と空気との間の臨界角による全反射成分を抑制することができ、光取出し効率が改善される。それとともに、所望の配光特性となるように光のコントロールが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に従ったＬＥＤ２００の構成の一例を示す断面図である。ＬＥＤ２００の中間膜４０の表面は、ＬＥＤチップ３０の両側において凸凹形状を有する。第２の実施形態によるＬＥＤ２００のその他の構成は、第１の実施形態によるＬＥＤ１００の対応する構成と同様でよい。ＬＥＤチップ３０の両側において中間膜４０の表面に凹凸形状があることによって、ＬＥＤ３０の端部において光が散乱され、ＬＥＤチップ３０の端から光をより容易に取り出すことができる。中間膜４０の凹凸形状の大きさ（凹部の底と凸部の頂点との差）は、ＬＥＤチップ３０から取り出す光波長（例えば、約４５０ｎｍ前後）と略等しいことが好ましい。これにより、所望の波長の光（例えば、青色光）を取出し易くなる。これは、光が中間膜４０とレンズ６０との界面において全反射することなく散乱されるため、その界面における臨界角という制約がなくなるからである。

さらに、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様にＬＥＤチップ３０上に中間膜４０および蛍光膜５０を有するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、ＬＥＤチップ３０の表面上にある中間膜４０の表面も凹凸形状を有してよい。この場合、ＬＥＤチップ３０の表面から光を取り出しやすくなる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に従ったＬＥＤ３００の構成の一例を示す断面図である。ＬＥＤ３００の中間膜４０は、屈折率の異なる複数の材料層４１〜４３を積層した多層膜である。材料層４１の屈折率は、ＬＥＤチップ３０の屈折率よりも小さい。材料層４２の屈折率は、材料層４１の屈折率よりも小さい。材料層４３の屈折率は、材料層４２の屈折率よりも小さく、かつ、蛍光膜５０の屈折率よりも大きい。材料層４１は、例えば、ＳｉＮｘ、ＺｒＯ、ＴｉＯ_２等の高屈折率材料を用いて形成される。材料層４２は、例えば、ＨＦＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等の中間屈折率材料を用いて形成される。材料層４３は、例えば、ＳｉＯ_２等の低屈折率材料を用いて形成されている。第３の実施形態によるＬＥＤ３００の他の構成は、第１の実施形態によるＬＥＤ１００の対応する構成と同様でよい。

このように、第３の実施形態の中間膜４０の屈折率は、ＬＥＤチップ３０の光取出し面において大きく、かつ、蛍光膜５０に近づくに従って次第に小さくなっていく。これにより、材料層４１〜４３において全反射が発生し難くなり、ＬＥＤチップ３０からの光を効率良く取り出すことができる。

ＬＥＤチップ３０の端部からの弱い発光を効率良く取り出すことができるので、第３の実施形態によるＬＥＤ３００は、ＬＥＤチップ３０の端部においてさらに色度ずれの小さい白色光を出力することができ、全体として均一なムラの少ない白色光を出力することができる。

第３の実施形態は、第１の実施形態と同様にＬＥＤチップ３０上に中間膜４０および蛍光膜５０を有するので、第１の実施形態と同様の効果をさらに得ることができる。第３の実施形態は、第２の実施形態と組み合わせてもよい。これにより、第３の実施形態は、さらに第２の実施形態の効果をも得ることができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に従ったＬＥＤ４００の構成の一例を示す断面図である。ＬＥＤ４００は、ＬＥＤチップ３０の側面を被覆し、かつ、中間膜４０の下に設けられた反射膜７０をさらに備えている。即ち、第４の実施形態において、ＬＥＤチップ３０の両側には、反射膜７０が設けられている。反射膜７０は、例えば、光を反射する白色の材料を含む樹脂でよい。第４の実施形態によるＬＥＤ４００の他の構成は、第１の実施形態によるＬＥＤ１００の対応する構成と同様でよい。

尚、反射膜７０は次のように形成され得る。例えば、ＬＥＤチップ３０を電極２０上に搭載後、反射膜７０の材料（例えば、液体状の樹脂）を塗布し、その材料を硬化させる。液体はＬＥＤチップ３０の側面に溜まり易いので、反射膜７０は図７に示すような形状で残置される。このようにして反射膜７０は形成され得る。ＬＥＤ４００のその他の構成要素の形成工程は、ＬＥＤ１００の対応する形成工程と同様でよい。

ＬＥＤチップ３０の基板３１が光を吸収する材料（例えば、シリコン）である場合、反射膜７０は、光が基板３１の側面から吸収されることを抑制することができる。また、反射膜７０は、中間膜４０内に導波された光をレンズ６０方向へ効率的に反射することができる。これにより、光の損失を抑制することができ、光の取出し効率を改善することができる。さらに、第４の実施形態は、第１の実施形態と同様にＬＥＤチップ３０上に中間膜４０および蛍光膜５０を有するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、発光部３２は、基板３１上に設けられた発光層と、発光層上に設けられ光をレンズ６０側へ反射する反射層とを含む。

第４の実施形態は、第２および／または第３の実施形態と組み合わせることができる。これにより、第４の実施形態は、第２および／または第３の実施形態の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態に従ったＬＥＤ５００の構成の一例を示す断面図である。第５の実施形態において、ＬＥＤ５００の底面および上面は平坦に形成されている。従って、透明部６１は、レンズ型を有さず、平坦な形状を有する。

ＬＥＤ５００の両端には、側壁反射部８３が設けられている。側壁反射部８３は、ＬＥＤ５００の周縁を取り囲む。側壁反射部８３、電極２１、２２および底部反射部８２は、ＬＥＤチップ３０、反射膜７０、中間膜４０、蛍光膜５０および透明部６１を収容する容器の機能を果たす。側壁反射部８３および底部反射部８２は、例えば、光を反射する白色の材料を含む樹脂でよい。従って、側壁反射部８３および底部反射部８２は、ＬＥＤチップ３０からの光を反射する機能も有する。

電極２１、２２は、ＬＥＤチップ３０のパッドとワイヤを介して電気的に接続されており、あるいは、基板３１と電気的に接続されている。

次に、ＬＥＤ５００の製造方法について説明する。まず、電極２１、２２の材料に底部反射部８２および側壁反射部８３を形成する。次に、電極２１上にＬＥＤチップ３０を搭載する。これにより、側壁反射部８３、電極２１、２２および底部反射部８２により形成される容器内にＬＥＤチップ３０が配置されている状態となる。次に、側壁反射部８３、電極２１、２２および底部反射部８２により形成される容器内に、反射膜７０の材料として液体の樹脂を滴下する。このとき、ＬＥＤチップ３０と側壁反射部８３との間に反射膜７０の材料を適量滴下する。これにより、表面張力を利用して、図８に示すように、ＬＥＤチップ３０と側壁反射部８３との間に反射膜７０が形成される。反射膜７０の硬化後、中間膜４０、蛍光膜５０および透明部６１を順番に形成する。透明部６１の形成後、透明部６１を略平坦化する。これにより、図８に示すＬＥＤ５００が完成する。

第５の実施形態によるＬＥＤ５００は、第４の実施形態と同様に、ＬＥＤチップ３０の側面を被覆し、かつ、中間膜４０の下に設けられた反射膜７０をさらに備えている。これにより、第５の実施形態は、第４の実施形態と同様に、ＬＥＤチップ３０の基板３１が光を吸収する材料（例えば、シリコン）である場合に、光が基板３１の側面から吸収されることを抑制することができる。また、反射膜７０、側壁反射部８３および底部反射部８２は、中間膜４０内に導波された光を透明部６１の方向へ効率的に反射することができる。

さらに、第５の実施形態は、第１の実施形態と同様にＬＥＤチップ３０上に中間膜４０および蛍光膜５０を有するので、第１の実施形態と同様の効果を有することができる。

第５の実施形態は、第２から第４の実施形態のいずれかと組み合わせることができる。これにより、第５の実施形態は、第２から第４の実施形態のいずれかの効果をも得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００〜５００…ＬＥＤ、１０…支持基板、２０…電極、３０…ＬＥＤチップ、４０…中間膜、５０…蛍光膜、６０…レンズ、７０…反射膜、８３…側壁反射部、２１、２２…電極、８２…底部反射部

Claims (5)

1. 基板と、前記基板上に設けられた発光部とを含む発光素子と、
   前記発光素子を被覆する第１の膜と、
   前記第１の膜上に設けられ、前記発光素子の光取出し面の少なくとも中心部の上方を部分的に被覆し、前記発光素子の前記光取出し面の端部の上方を被覆しない蛍光膜と、
   前記蛍光膜上に設けられた透明部と、
   前記発光素子の前記基板の側面を被覆し、かつ、前記第１の膜の下に設けられ、前記発光素子からの光を反射する反射膜と、
   を備えた発光装置。
2. 前記第１の膜の屈折率は、前記透明部の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１の膜の表面は、凸凹形状を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
4. 前記第１の膜の屈折率は、前記発光素子の前記光取出し面側において大きく、前記蛍光
   膜に近づくに従って次第に小さくなっていくことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 支持基板と、
   前記支持基板上に設けられた電極と、
   前記支持基板上に設けられた発光素子と、
   前記発光素子および前記電極を被覆する第１の膜と、
   前記第１の膜上に設けられ、前記発光素子の光取出し面の少なくとも中心部の上方を部分的に被覆し、前記発光素子の前記光取出し面の端部の上方を被覆しない蛍光膜と、
   前記蛍光膜上に設けられた透明部と、
   を備え、
   前記第１の膜において前記電極を被覆する部分の表面は凸凹形状を含んでおり、前記第１の膜と前記蛍光膜との界面は凸凹形状を含まないこと、を特徴とする発光装置。

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