JP2013175767A

JP2013175767A - 発光素子

Info

Publication number: JP2013175767A
Application number: JP2013091590A
Authority: JP
Inventors: Hyuck Jung Choi; ヒョクジョンチョイ; Kwang Il Park; クォンイルパク
Original assignee: Seoul Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Seoul Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP5345178B2; US20080211386A1; US20110248296A1; US8569944B2; US7906892B2; JP5481587B2; US8405304B2; US20100264448A1; JP2008166782A; JP2011155316A

Abstract

【課題】波長変換された光が再び蛍光体に吸収されて消滅されること、また、波長変換された光が再びＬＥＤに入射されて消滅されること、さらに、長波長の光を放出するＬＥＤから放出された光が、短波長の光を放出するＬＥＤや蛍光体によって損失されることを防止できる発光素子を提供する。
【解決手段】基板２０上に配置されて第１波長の光を放射する発光ダイオード２３と、発光ダイオードを覆う透明モールディング部２５と、透明モールディング部上に配置され、発光ダイオードから放射された第１波長の光をそれより長波長である第２波長の光に変換する蛍光体を含有する下部波長変換物質層２７と、下部波長変換物質層上に配置され、発光ダイオードから放射された第１波長の光をそれより長波長で、さらに第２波長より短波長である第３波長の光に変換する蛍光体を含有する上部波長変換物質層２９とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、発光ダイオードから放射された光または波長変換された光が発光素子の内部で損失することを防止できる発光素子に関するものである。

化合物半導体発光ダイオードで製作された発光素子は、カラー具現が可能であり、表示灯、電光板及びディスプレイ用として広く使用されている。特に、発光素子は、白色光を具現することができるようになってから、液晶ディスプレイパネルの光源及び一般の照明用としても使用されている。

一般的に、青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤと記す）と蛍光体とを組み合わせて白色光を具現することができ、青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体を使用して白色光を具現した発光素子が、特許文献１として開示されている。

しかしながら、青色光と黄色光との混合光によって白色光を具現した上述の技術は、赤色波長領域の光不足によって色再現性及び演色性が良好でない。また、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤを含む３個のＬＥＤを採択して白色光を具現することができるが、ＬＥＤから放射される光の波長領域が狭いので、色再現性に優れているが、演色性が良好でない。

一方、上記のような問題を解決するために青色ＬＥＤ、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を使用したり、青色ＬＥＤ及び蛍光体と共に赤色ＬＥＤを採択して白色光を具現した発光素子が、特許文献２として開示されている。
これによると、緑色蛍光体と赤色蛍光体を全て含有する透光性樹脂で青色ＬＥＤを覆うことで、色再現性及び演色性に優れた白色光を具現することができる。また、青色ＬＥＤ、緑色蛍光体及び赤色ＬＥＤを採択して色再現性を向上させることができる。ここで、緑色蛍光体を含有する透光性樹脂が青色ＬＥＤを覆うことで、青色ＬＥＤから放射された光の一部を緑色光に変換させる。さらに、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び紫外線ＬＥＤを採択し、緑色蛍光体を含有する透光性樹脂で前記紫外線ＬＥＤを覆うことで白色光を具現する例も紹介されている。

しかしながら、特許文献２に開示された発光素子において、青色ＬＥＤ、緑色及び赤色蛍光体を採択した発光素子の場合、緑色蛍光体と赤色蛍光体が同一の透光性樹脂内に分布しており、緑色蛍光体から放射された緑色光が赤色蛍光体に吸収される。一般的に、蛍光体は、励起波長によって波長変換効率が異なっており、青色ＬＥＤから放射された光を赤色光に波長変換させる赤色蛍光体は、青色光を赤色光に変換させる波長変換効率に優れている。したがって、赤色蛍光体に吸収されたほんとんどの緑色光は、熱に変換されて消滅する。結果的に、緑色蛍光体と赤色蛍光体を透光性樹脂内に全て含ませた場合、緑色光が不足するとともに、消滅する光が多く発生することで発光効率が減少するという問題がある。

また、蛍光体で波長変換された光は、青色ＬＥＤに再び入射される。青色ＬＥＤに入射された光は、青色ＬＥＤを通過し、青色ＬＥＤが実装された基板の底面に吸収されて消滅することで、発光効率が一層減少するという問題がある。

一方、赤色ＬＥＤを追加した発光素子の場合、赤色ＬＥＤから放射された赤色光のうち少なくとも一部は、蛍光体を含有した透光性樹脂内に入射され、青色ＬＥＤまたは紫外線ＬＥＤに入射される。透光性樹脂内に入射された赤色光は、蛍光体を励起させないが、蛍光体によって散乱・反射されて損失される。また、青色ＬＥＤや短波長可視光線ＬＥＤに入射された赤色光は、上記ＬＥＤ内で反射によって損失される。その結果、赤色光の強度が弱くなり、これを補償するためには、赤色ＬＥＤの使用数や赤色ＬＥＤの駆動電流を増加させなければならないという問題がある。

特開２００２−０６４２２０号公報米国特許出願公開第２００４／０２０７３１３Ａ１号明細書

そこで、本発明は上記従来の発光素子における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、波長変換された光が再び蛍光体に吸収されて消滅することを防止できる発光素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、波長変換された光が再び発光ダイオードに入射されて消滅することを防止できる発光素子を提供することにある。
さらに、長波長の光を放出する発光ダイオードから放出された光が、短波長の光を放出するＬＥＤや蛍光体によって損失されることを防止できる発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による発光素子は、基板上に配置されて第１波長の光を放射する発光ダイオードと、前記発光ダイオードを覆う透明モールディング部と、前記透明モールディング部上に配置され、前記発光ダイオードから放射された第１波長の光をそれより長波長である第２波長の光に変換する蛍光体を含有する下部波長変換物質層と、前記下部波長変換物質層上に配置され、前記発光ダイオードから放射された第１波長の光をそれより長波長で、さらに前記第２波長より短波長である第３波長の光に変換する蛍光体を含有する上部波長変換物質層とを有することを特徴とする。
これによって、波長変換物質層で波長変換された光が蛍光体によって損失されることを防止することができる。また、透明モールディング部が下部波長変換物質層と発光ダイオードとの間に介在されることで、波長変換された光が発光ダイオードに再び入射されて損失されることを減少させることができる。

前記透明モールディング部、前記下部波長変換物質層、及び前記上部波長変換物質層の順に屈折率が増加することが好ましい。
これによって、前記発光ダイオードから放出された光が内部全反射によって損失されることを防止することができる。

また、前記下部波長変換物質層は、前記透明モールディング部を露出させる少なくとも一つの開口部を有し、該開口部は、前記上部波長変換物質層によって充填されることが好ましい。
したがって、発光ダイオードから放射された光の一部は、下部波長変換物質層を経ずに上部波長変換物質層に入射され、その内部に含有された蛍光体を励起させることができる。

前記第１波長の光は青色光であり、前記第２波長の光は赤色光であり、前記第３波長の光は緑色光であることが好ましい。
これによって白色光が具現される。

一方、前記透明モールディング部、前記下部及び上部波長変換物質層は、モールド型を用いてモールディングして形成されることが好ましい。
また、前記透明モールディング部は、シリコン樹脂で形成され、前記下部及び上部波長変換物質層は、エポキシ樹脂で形成されることが好ましい。
つまり、透明モールディング部は、下部及び上部波長変換物質層に比べて小さい硬度を有する。また、上部波長変換物質層は、下部波長変換物質層に比べて高い硬度を有する。

前記透明モールディング部と前記下部波長変換物質層との間に介在する下部誘電体多層膜反射ミラーと、前記下部波長変換物質層と前記上部波長変換物質層との間に介在する上部誘電体多層膜反射ミラーとをさらに有することが好ましい。
これによって誘電体多層膜反射ミラーは、高い屈折率を有する誘電体層と、低い屈折率を有する誘電体層が繰り返して形成されて高反射度を示す。これによって、上部波長変換物質層で波長変換された第２波長の光が下部波長変換物質層に入射することを防止することができ、下部波長変換物質層で波長変換された第２波長の光が透明モールディング部に入射することを防止することができる。

前記下部誘電体多層膜反射ミラー内の各誘電体層の厚さは、（２ｍ−１）λ_２／４ｎ_２（ここで、ｎ_２は、各誘電体層の屈折率を示し、λ_２は、第２波長を示し、ｍは、１以上の整数を示す。）の関係を満足し、
前記上部誘電体多層膜反射ミラー内の各誘電体層の厚さは、（２ｋ−１）λ_３／４ｎ_３（ここで、ｎ_３は、各誘電体層の屈折率を示し、λ_３は、第３波長を示し、ｋは、１以上の整数を示す。）の関係を満足することが好ましい。
上記各式において、ｍ及びｋは１であることが好ましい。

さらに、前記下部波長変換物質層は、前記透明モールディング部を露出させる少なくとも一つの開口部を有し、該開口部は、前記上部波長変換物質層によって充填されることが好ましい。
このとき、前記上部誘電体多層膜反射ミラーは、前記開口部内の前記透明モールディング部と前記上部波長変換物質層との間に延長されることが好ましい。

また、上記目的を達成するためになされた本発明による発光素子は、基板上に配置されて第１波長の光を放出する第１発光ダイオードと、前記第１発光ダイオードを覆い、前記第１発光ダイオードから放射された第１波長の光の少なくとも一部を波長変換させる蛍光体を含有する波長変換物質層と、前記第１発光ダイオード及び波長変換物質層から離隔して前記基板上に配置され、前記第１波長の光より長波長である第２波長の光を放射する第２発光ダイオードと、前記波長変換物質層上に形成され、高屈折率を有する誘電体層と低屈折率を有する誘電体層の少なくとも一対を含み、前記波長変換物質層に入射される前記第２波長の光を反射させる誘電体多層膜反射ミラーとを有することを特徴とする。
これによって、第２発光ダイオードから放出された光が波長変換物質層に入射されて損失されることを防止することができ、第２波長の光の発光効率を向上させることができる。

前記各誘電体層は、それぞれの厚さｄが、ｄ＝（２ｍ−１）λ／４ｎ（ここで、ｎは、各誘電体層の屈折率を示し、λは、第２波長を示し、ｍは、１以上の整数を示す。）の関係を満足することが好ましい。
前記ｍは、１であることが好ましい。

前記波長変換物質層及び第２発光ダイオードを覆う密封樹脂をさらに有し、該密封樹脂は、前記高屈折率を有する誘電体層に比べて相対的に低い屈折率を有することが好ましい。

前記第１発光ダイオードを中心として前記第２発光ダイオードと対称に配置される別途の第２発光ダイオードをさらに有することが好ましい。
これにより、第１発光ダイオードを中心に対称的に第２発光ダイオードが配置されるので、均一な輝度の混合光を具現することができる。

前記誘電体多層膜反射ミラーは、前記波長変換物質層上の一部領域に形成されることが好ましい。
これによって、第２発光ダイオードから波長変換物質層に入射される第２波長の光を反射させるとともに、第１発光ダイオードから放射された光と、蛍光体によって波長変換された光が反射ミラーによって損失することを減少させることができる。

前記波長変換物質層は、前記発光ダイオード上に均一な厚さで形成された物質層であることが好ましい。
また、前記第１発光ダイオードは、ピーク波長が４９０ｎｍ以下である青色光または紫外線を放射し、前記第２発光ダイオードは、ピーク波長が５８０ｎｍ以上である赤色光を放射することが好ましい。

本発明に係る発光素子によれば、複数個の波長変換物質層を採択して混合光を具現し、相対的に長波長の光に波長変換させる蛍光体を含有した波長変換物質層上に、相対的に短波長の光に波長変換させる蛍光体を含有した波長変換物質層を配置することで、波長変換された光が蛍光体によって損失されることを防止可能な発光素子を提供することができるという効果がある。
また、各波長変換物質層と発光ダイオードとの間に透明モールディング部を配置することで、蛍光体によって波長変換された光が発光ダイオードに再び入射されて損失されることを防止することができるという効果がある。

さらに、誘電体多層膜反射ミラーを採択することで、波長変換された光が蛍光体または発光ダイオードに再び入射されて損失されることを防止可能な発光ダイオードを提供することができるという効果がある。
また、誘電体多層膜反射ミラーを採択することで、相対的に長波長の光を放出する第２発光ダイオードから放射された光が波長変換物質層内に入射され、蛍光体や短波長の光を放射する第１発光ダイオードによって損失されることを防止可能な発光素子を提供することができるという効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。本発明の第３の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。本発明の第４の実施形態に係る誘電体多層膜反射ミラーを採択した発光素子の断面図である。図４のＡ部分を拡大した部分断面図である。本発明の第５の実施形態に係る誘電体多層膜反射ミラーを採択した発光素子の断面図である。本発明の第６の実施形態に係る誘電体多層膜反射ミラーを採択した発光素子の断面図である。本発明の第７の実施形態に係る誘電体多層膜反射ミラーを採択した発光素子の断面図である。

次に、本発明に係る発光素子を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

下記の実施形態は、当業者に本発明の思想を伝達するための例として提供される。したがって、本発明は、以下に説明した実施形態に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。そして、図面において、構成要素の幅、長さ及び厚さなどは、説明の便宜上、誇張されて表現されることもできる。明細書の全般における同一の参照番号は、同一の構成要素を示している。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。
図１を参照すると、基板２０上に発光ダイオード２３が搭載される。基板２０は、図に示すように、リード電極２１ａ、２１ｂを有する印刷回路基板であるが、リードフレーム、ヒートシンクまたはプラスチックパッケージ本体などの発光ダイオードが実装されるものであれば、特別に制限されない。また、発光ダイオードは、例えば、サファイア、ＳｉＣ、スピネルなどの基板上にＧａＡｌＩｎＮ系の化合物半導体層を成長させて形成されたもので、紫外線または青色光の第１波長の光を放射することができる。

発光ダイオード２３は、導電性接着剤（図示せず）を通してリード電極２１ａに付着され、ボンデングワイヤを通してリード電極２１ｂに電気的に接続される。これとは異なって、発光ダイオード２３は、二つのボンデングワイヤを通してリード電極２１ａ、２１ｂに電気的に接続されるか、または、サブマウント（図示せず）上に付着されてリード電極２１ａ、２１ｂに電気的に接続されることもある。

透明モールディング部２５は、基板２０上に形成されて発光ダイオード２３を覆う。また、透明モールディング部２５は、ボンデングワイヤを覆うことができる。
透明モールディング部２５は、相対的に小さい硬度値を有する樹脂、例えば、シリコン樹脂で形成される。透明モールディング部２５は、蛍光体を含有していないので、発光ダイオード２３から透明モールディング部２５に入射された光が、発光ダイオード２３付近で波長変換され、再び発光ダイオード２３に入射されることを防止することができる。

透明モールディング部２５上に下部波長変換物質層２７が配置される。下部波長変換物質層２７は、発光ダイオード２３から放射された第１波長の光を第２波長の光に変換させる蛍光体を含有する。
第２波長の光は、第１波長の光より長波長であり、例えば、第１波長の光が紫外線または青色光である場合、第２波長の光は赤色光である。これによって、発光ダイオード２３から放射された第１波長の光の一部は、下部波長変換物質層２７内に含有された蛍光体によって第２波長の光に変換される。

さらに、下部波長変換物質層２７上に上部波長変換物質層２９が配置される。上部波長変換物質層２９は、発光ダイオード２３から放射された第１波長の光を第３波長の光に変換させる蛍光体を含有する。第３波長の光は、第１波長の光より長波長で、第２波長の光より短波長であり、例えば、第２波長の光が赤色光である場合、第３波長の光は緑色光である。

一般的に、蛍光体は、励起光によって励起され、励起波長より長波長である光を放射するので、放射波長に比べて長波長である光が蛍光体に入射されると、長波長の光は蛍光体を励起させない。
したがって、下部波長変換物質層２７内に含有された蛍光体によって波長変換された第２波長の光は、上部波長変換物質層２９内に含有された蛍光体の放射波長に比べて長波長であるので、波長変換物質層２９内の蛍光体を励起させない。その結果、下部波長変換物質層２７で波長変換された第２波長の光は、上部波長変換物質層２９を透過して外部に放射される。

下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、透明モールディング部２５と同一の物質で形成されるが、これに限定されるものでなく、他の物質で形成することもできる。
このとき、下部波長変換物質層２７は、透明モールディング部２５に比べて屈折率の大きい物質で形成されることが好ましい。また、上部波長変換物質層２９は、下部波長変換物質層２７と同じかそれより高い屈折率を有する物質で形成される。

これによって、発光ダイオード２３から放射された光が、透明モールディング部２５と下部波長変換物質層２７との間の界面、または、下部波長変換物質層２７と上部波長変換物質層２９との間の界面での内部全反射によって損失することを防止することができ、下部及び上部波長変換物質層２７、２９で波長変換された光が再び内部に入射することを減少させることができる。

また、下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、透明モールディング部２５に比べて大きい硬度値を有する物質で形成される。例えば、透明モールディング部２５がシリコン樹脂である場合、下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、それぞれ蛍光体を含有するエポキシ樹脂で形成される。これによって、透明モールディング部２５が基板２０から剥離することを防止するとともに、外力から発光ダイオードを保護することができる。

本実施形態によると、例えば、青色光を放出する発光ダイオード２３の上部に、青色光を赤色光に変換させる蛍光体を含有した下部波長変換物質層２７を配置し、下部波長変換物質層２７上に、青色光を緑色光に変換させる蛍光体を含有した上部波長変換物質層２９を配置することで、白色光を具現することができる。また、紫外線を放射する発光ダイオード２３を使用する場合、紫外線を赤色光に変換させる蛍光体を含有した下部波長変換物質層２７と、紫外線を緑色光に変換させる蛍光体を含有した上部波長変換物質層２９とを配置し、上部波長変換物質層２９上に、紫外線を青色光に変換させる蛍光体を含有した追加的な波長変換物質層（図示せず）を配置することで、白色光を具現することができる。

透明モールディング部２３、下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、図に示すように、断面が台形状であるが、これに制限されるものではない。透明モールディング部２３、下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、モールド型を用いたモールディング技術を使用して成形され、例えば、トランスファーモールディングによって形成される。
これによって、透明モールディング部２３、下部及び上部波長変換物質層２７、２９は、モールド型の形状によって多様な形状に形成される。特に、上部波長変換物質層２９は、光の放射効率を向上させるために半球形状に形成され、その表面に凹凸を有することが可能である。

また、下部及び上部波長変換物質層２７、２９内に含有された蛍光体の種類は、特別に制限されなく、例えば、ＹＡＧ系、シリケート系またはチオガレート系の蛍光体が使用可能である。特に、蛍光体は、大韓民国特許出願公開第１０−２００５−０１１７１６４号明細書に開示されたような、鉛または銅を含有した化合物、例えば、鉛及び銅を含有したシリケート蛍光体であり得る。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。
図２を参照すると、本実施形態に係る発光素子は、下部波長変換物質層２７が開口部２７ａを有することを除けば、図１を参照して説明した発光素子とほぼ同一である。開口部２７ａは、透明モールディング部２５を露出させ、上部波長変換物質層２９によって充填される。

したがって、発光ダイオード２３から放射された光の一部は、下部波長変換物質層２７を経ずに、開口部２７ａ内の上部波長変換物質層２９内に直接入射される。その結果、上部波長変換物質層２９内の蛍光体を励起させる光の強度を増加させることができる。
開口部２７ａは、複数個であり得て、上部波長変換物質層２９内の蛍光体を均一に励起させるために分散される。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る複数個の波長変換物質層を有する発光素子の断面図である。
図３を参照すると、図１を参照して説明したように、基板２０上に発光ダイオード２３が搭載され、発光ダイオード２３を透明モールディング部２５が覆い、透明モールディング部２５上に下部及び上部波長変換物質層２７２９が配置される。
ただし、透明モールディング部２５と下部波長変換物質層２７との間に下部誘電体多層膜反射ミラー２６が介在し、下部波長変換物質層２７と上部波長変換物質層２９との間に上部誘電体多層膜反射ミラー２８が介在する。

下部誘電体多層膜反射ミラー２６は、相対的に低い屈折率を有する誘電体層２６ａと、相対的に高い屈折率を有する誘電体層２６ｂの少なくとも一対を含む。ここで、下部波長変換物質層２７は、高屈折率の誘電体層２６ｂに比べて低い屈折率を有する。
下部誘電体多層膜反射ミラー２６は、それぞれの厚さが（２ｍ−１）λ_２／４ｎ_２（ここで、ｎ_２は、各誘電体層の屈折率を示し、λ_２は、第２波長を示し、ｍは、１以上の整数を示す。）を満足する高屈折率の誘電体層２６ｂと低屈折率の誘電体層２６ａの少なくとも一対を含み、第２波長の光を反射させる。

各誘電体層の厚さは、λ_２／４ｎ_２、すなわち、ｍが１であることが好ましい。誘電体層２６ａ、２６ｂの一対が複数回積層されるほど、第２波長の光に対する反射度が増加する。一方、下部誘電体多層膜反射ミラー２６は、発光ダイオード２３から放射された光に対しては透光特性を示す。

また、上部誘電体多層膜反射ミラー２８は、相対的に低い屈折率を有する誘電体層２８ａと、相対的に高い屈折率を有する誘電体層２８ｂの少なくとも一対を含み、上部波長変換物質層２９は、高屈折率の誘電体層２８ｂに比べて低い屈折率を有する。
上部誘電体多層膜反射ミラー２８は、それぞれの厚さが（２ｋ−１）λ_３／４ｎ_３（ここで、ｎ_３は、各誘電体層の屈折率を示し、λ_３は、第３波長を示し、ｋは、１以上の整数を示す。）を満足する高屈折率の誘電体層２８ｂと低屈折率の誘電体層２８ａの少なくとも一対を含み、第３波長の光を反射させる。

各誘電体層の厚さは、λ_３／４ｎ_３、すなわち、ｋが１であることが好ましい。誘電体層２８ａ、２８ｂの一対が複数回積層されるほど、第３波長の光に対する反射度が増加する。一方、上部誘電体多層膜反射ミラー２８は、発光ダイオード２３から放射された光及び第２波長の光に対しては透光特性を示す。

これによって、上部波長変換物質層２９で波長変換された第３波長の光が、上部誘電体多層膜反射ミラー２８によって下部波長変換物質層２７内に入射することを防止することができ、下部波長変換物質層２７で波長変換された第２波長の光が、下部誘電体多層膜反射ミラー２６によって透明モールディング部２５内に入射することを防止することができる。

本実施形態において、下部波長変換物質層２７は、図２を参照して説明したように、開口部を有してもよい。開口部は、上部波長変換物質層２９によって充填される。
このとき、上部誘電体多層膜反射ミラー２８は、開口部内に延長され、開口部内の上部波長変換物質層２９と透明モールディング部２５との間に介在する。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る誘電体多層膜反射ミラーを有する発光素子の断面図であり、図５は、図４のＡ部分を拡大した部分断面図である。
図４を参照すると、基板５０上に、第１波長の光を放射する第１発光ダイオード５１、例えば、ピーク波長が４９０ｎｍ以下である青色光を放射する青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１が配置される。基板５０は、図１を参照して説明した基板２０と同一である。第１発光ダイオード５１は、例えば、ＧａＡｌＩｎＮ系の化合物半導体であり、サファイア、ＳｉＣ、スピネルなどの基板上に化合物半導体層を成長させて形成されうる。

青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１を波長変換物質層５５が覆う。波長変換物質層５５は、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１から放射された青色光の一部を他の波長の光、例えば、緑色光及び黄色光に変換させる蛍光体を含有する。波長変換物質層５５は、透明樹脂、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂を硬化させて形成する。波長変換物質層５５は、図に示すように、半球形状であるが、これに限定されるものでなく、例えば、断面が直四角形状、台形状などの多様な形状を有することができる。

波長変換物質層５５上に誘電体多層膜反射ミラー６０が形成される。誘電体多層膜反射ミラー６０は、相対的に高い屈折率を有する誘電体層６１と、相対的に低い屈折率を有する誘電体層６３の少なくとも一対を含む。誘電体多層膜反射ミラー６０は、図５に示すように、高屈折率の誘電体層６１ａ、６１ｂと低屈折率の誘電体層６３ａ、６３ｂの一対６０ａ、６０ｂが複数回繰り返して積層された構造である。

第１発光ダイオード５１と波長変換物質層５５とより離隔し、基板５０上に第１波長の光より長波長である第２波長の光を放射する第２発光ダイオード５３、例えば、赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３が配置される。赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３は、ＡｌＩｎＧａＰ系またはＧａＡｓ系の化合物半導体で製造され、５８０〜６８０ｎｍ内でピーク波長を有し、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１と同一高さの平面上に配置される。

密封樹脂７０は、波長変換物質層５５と赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３を覆うことができる。密封樹脂７０は、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂を硬化させて形成され、モールドカップを使用して指向角または発光効率を向上させるために要求される形状に形成される。密封樹脂７０は、高屈折率の誘電体層６１に比べて相対的に低い屈折率を有する。

赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３から放射された赤色光は、密封樹脂７０内に放射されて多様な方向に進行する。赤色光の一部は、波長変換物質層５５側に進行して誘電体多層膜反射ミラー６０に到達する。誘電体多層膜反射ミラー６０は、赤色光に対して反射率の高い構造を有するように形成され、赤色光を外側に反射させる。

誘電体多層膜反射ミラー６０は、それぞれの厚さｄがｄ＝（２ｍ−１）λ／４ｎ（ここで、ｎは、各誘電体層の屈折率を示し、λは、赤色発光ダイオードから放射された光の波長を示し、ｍは、１以上の整数を示す。）を満足する高屈折率の誘電体層６１と低屈折率の誘電体層６３の少なくとも一対を含み、赤色光を反射させる。

各誘電体層の厚さｄは、λ／４ｎ、すなわち、ｍが１であることが好ましい。誘電体層６１、６３の一対が複数回積層されるほど、赤色光に対する反射度が増加する。一方、誘電体多層膜反射ミラー６０は、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１から放射された光または波長変換物質層５５内の蛍光体によって波長変換された光に対しては透光特性を示す。
これによって、赤色発光ダイオード５３から放射された赤色光が波長変換物質層５５に入射することを防止することで、波長変換物質層５５及び青色発光ダイオード５１によって赤色光が損失することを防止することができる。

図６は、本発明の第５の実施形態に係る発光素子の断面図である。
図６を参照すると、本実施形態に係る発光素子は、図４を参照して説明したように、基板５０上に配置された青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１を覆う波長変換物質層５５、及び波長変換物質層５５と離隔されて配置された赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３とを含み、密封樹脂７０をさらに含む。

また、誘電体多層膜反射ミラー６０ａは、図４及び図５を参照して説明したように、高屈折率の誘電体層と低屈折率の誘電体層の少なくとも一対を含む。ただし、誘電体多層膜反射ミラー６０ａは、図４の誘電体多層膜反射ミラー６０とは異なって、波長変換物質層５５の一部領域上に形成される。すなわち、誘電体多層膜反射ミラー６０ａは、赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３から波長変換物質層５５に入射する光を反射させる領域上に限定的に形成され、残りの領域では波長変換物質層５５の表面が露出される。
これによって、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１から密封樹脂７０に放射される光が誘電体多層膜反射ミラー６０ａによって損失することを減少させることができる。

図７は、本発明の第６の実施形態に係る発光素子の断面図である。
図７を参照すると、図４を参照して説明したように、基板５０上に青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１が配置され、波長変換物質層５５が青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１を覆い、波長変換物質層５５上に誘電体多層膜反射ミラー６０が形成される。

ただし、本実施形態においては、赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３ａ、５３ｂが青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１を中心に対称的に配置される。
これら赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３ａ、５３ｂは、二つ以上配置することができ、これによって、発光素子から放射される赤色光の輝度分布及び混合光の輝度分布を均一にすることができる。
また、図４を参照して説明したように、密封樹脂７０は、赤色発光ダイオード（第２発光ダイオード）５３ａ、５３ｂ及び波長変換物質層５５を覆うことができる。

図８は、本発明の第７の実施形態に係る発光素子の断面図である。
図８を参照すると、図４を参照して説明したように、基板５０上に青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１が配置され、波長変換物質層８５が青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１を覆い、波長変換物質層８５上に相対的に低い屈折率を有する誘電体層９３と、相対的に高い屈折率を有する誘電体層９１の少なくとも一対を含んだ誘電体多層膜反射ミラー９０が形成される。また、波長変換物質層８５と離隔されて赤色発光ダイオード５３が配置され、密封樹脂７０が波長変換物質層８５及び赤色発光ダイオード５３を覆うことができる。

ただし、本実施形態において、波長変換物質層８５は、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１を均一に覆う物質層で形成される。このような均一な波長変換物質層８５は、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１を基板上に配置した後、ステンシリング（ｓｔｅｎｃｉｌｉｎｇ）などによって形成するか、または、サブマウント（図示せず）上に青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１をボンディングし、電気泳動法を使用して形成される。ステンシリングまたは電気泳動法によって均一な厚さの蛍光体層を形成する方法は、例えば、米国特許第６６４２６５２号明細書、第６６５００４４号明細書に開示されている。このとき、誘電体多層膜反射ミラー９０も、ステンシリングなどの技術を使用して波長変換物質層上に均一に形成される。

これとは異なって、波長変換物質層８５は、青色発光ダイオード製造工程で基板上に化合物半導体層を成長させ、写真工程及びエッチング工程を使用して複数個の青色発光ダイオードを形成した後、蛍光体を含有する液状またはゲル状の透明有機物、例えば、ＳＯＧをコーティングして形成される。
波長変換物質層８５が基板の全面に形成された後、個別の発光ダイオードに分離することで、均一な厚さの波長変換物質層８５を有する青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１が形成される。ここで、誘電体多層膜反射ミラー９０は、個別の発光ダイオードに分離する前に波長変換物質層８５上に形成するか、または、個別の発光ダイオードに分離された後、ステンシリングなどの工程によって形成する。

本実施形態によると、蛍光体を含有する波長変換物質層８５が均一な厚さを有するので、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）８１から放射された光が波長変換物質層８５で均一な光経路を通して外部に放射されることで、波長変換された光が均一な光分布を示すようになる。

本発明の各実施形態において、青色発光ダイオード（第１発光ダイオード）５１、８１を波長変換物質層５５、８５が覆う場合を説明したが、これに限定されることなく、青色発光ダイオードの代わりに他の第１波長の光、例えば、紫外線を放出する発光ダイオードも使用可能である。この場合、波長変換物質層は、紫外線を可視光線領域の光、例えば、青色光及び／または黄色光に波長変換させる蛍光体を含有する。

一方、本発明の各実施形態において、赤色発光ダイオード５３、５３ａ、５３ｂの代わりに第１波長の光より長波長である第２波長の光を放射する他の発光ダイオード、例えば、緑色発光ダイオードも使用可能である。

また、本発明の第４〜第７の実施形態において、発光ダイオード（５１、８１、５３）がリード電極（図示せず）に電気的に接続されるが、このために、サブマウント（図示せず）、ボンデングワイヤ（図示せず）が使用され、発光ダイオードがリード電極に導電性接着剤を通して付着されることもある。一方、発光ダイオード（５１、８１、５３）は、同一のリード電極にそれぞれ電気的に接続され、同一の電源によって駆動されるが、これに限定されることなく、それぞれ別個のリード電極に電気的に接続され、互いに異なる電源によって別個に駆動されることもある。

尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

２０、５０基板
２１ａ、２１ｂリード電極
２３発光ダイオード
２５透明モールディング部
２６下部誘電体多層膜反射ミラー
２６ａ、２８ａ、６３、６３ａ、６３ｂ、９３（低屈折率の）誘電体層
２６ｂ、２８ｂ、６１、６１ａ、６１ｂ、９１（高屈折率の）誘電体層
２７下部波長変換物質層
２８上部誘電体多層膜反射ミラー
２９上部波長変換物質層
５１、８１第１発光ダイオード
５３、５３ａ、５３ｂ第２発光ダイオード
５５、８５波長変換物質層
６０、６０ａ、９０誘電体多層膜反射ミラー
７０密封樹脂

Claims

基板上に配置されて第１波長の光を放出する第１発光ダイオードと、
前記第１発光ダイオードを覆い、前記第１発光ダイオードから放射された第１波長の光の少なくとも一部を波長変換させる蛍光体を含有する波長変換物質層と、
前記第１発光ダイオード及び波長変換物質層から離隔して前記基板上に配置され、前記第１波長の光より長波長である第２波長の光を放射する第２発光ダイオードと、
前記波長変換物質層の少なくとも一部の領域上に形成され、高屈折率を有する誘電体層と低屈折率を有する誘電体層の少なくとも一対を含み、前記波長変換物質層に入射される前記第２波長の光を反射させる誘電体多層膜反射ミラーとを有することを特徴とする発光素子。
前記第１の波長の光から前記波長変換材料層によって波長変換された光の波長は、第２の波長の光よりも短波長であり、前記波長変換材料層によって波長変換された光は、前記誘電体多層膜反射ミラーを透過することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１発光ダイオードを中心として前記第２発光ダイオードと対称に配置される別途の第２発光ダイオードをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記誘電体多層膜反射ミラーは、前記対称に配置される第２発光ダイオードと互いに対向するように前記波長変換物質層の少なくとも一部の領域上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
前記各誘電体層は、それぞれの厚さｄが、ｄ＝（２ｍ−１）λ／４ｎ（ここで、ｎは、各誘電体層の屈折率を示し、λは、第２波長を示し、ｍは、１以上の整数を示す。）の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記波長変換物質層及び第２発光ダイオードを覆う密封樹脂をさらに有し、該密封樹脂は、前記高屈折率を有する誘電体層に比べて相対的に低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記波長変換物質層は、前記第１発光ダイオード上に均一な厚さで形成された物質層であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１発光ダイオードは、ピーク波長が４９０ｎｍ以下である青色光または紫外線を放射し、
前記第２発光ダイオードは、ピーク波長が５８０ｎｍ以上である赤色光を放射することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。