JP4418685B2 - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発光素子と蛍光層とを有する発光デバイスの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a light emitting device having a light emitting element and a fluorescent layer.
従来、発光素子から放出された光を蛍光材料により波長変換し、所望の発光色を得ようとする発光デバイスが提案されている。例えば粒子状の蛍光体を分散させた樹脂製の封止部材(蛍光層)で発光素子を被覆した構成の発光デバイスが特許文献1等に提案されている。しかしながら、一般的に蛍光体材料が水分により劣化し易いにもかかわらず、蛍光層を構成する樹脂には吸湿性があるので、水分による蛍光体の劣化回避が充分に行えなかった。
そこで樹脂の代わりに無機材料を用い、そこに蛍光体を分散させることが提案されている(同じく特許文献1第15段落等参照)。これにより、水分による蛍光体の劣化を防止することができる。
また、本発明に関連する技術として特許文献2〜9を参照されたい。
Conventionally, there has been proposed a light emitting device that converts the wavelength of light emitted from a light emitting element with a fluorescent material to obtain a desired emission color. For example,
Therefore, it has been proposed to use an inorganic material in place of the resin and disperse the phosphor therein (also see paragraph 15 of Patent Document 1). Thereby, deterioration of the phosphor due to moisture can be prevented.
Moreover, please refer to patent documents 2-9 as a technique relevant to this invention.
本発明者らは、発光デバイスにおける蛍光層を改良すべく検討を重ねてきたところ、下記の改良すべき課題を見出した。
蛍光体を分散させる材料として無機材料を選択した場合、例えば汎用的なガラスへ蛍光体を分散させることは不可能である。ガラスの軟化温度において蛍光体が破壊されてしまうからである。したがって、低い軟化温度のガラス(低融点ガラス)を用いることとなるが、蛍光体に熱影響が及ばない温度範囲においては軟化した状態といえども流動性が極めて低く、蛍光体粒子を均等に分散させることが困難である。また、ガラスに混入できる蛍光体粒子量も制限されてしまう。従って、充分な蛍光を得るのに必要な蛍光体を確保するため、蛍光層が厚くなってしまう。そのため、蛍光層の下層(発光素子側)と蛍光層の上層(光放出面側)とでは単位体積あたりに発光素子から受ける光の量に差が生じる。その結果、当該下層と上層とから放出される光において波長スペクトルの分布が異なり、観察方向によっては色むらの生じるおそれがある。
The present inventors have repeatedly studied to improve the fluorescent layer in the light emitting device, and have found the following problems to be improved.
When an inorganic material is selected as a material for dispersing the phosphor, for example, it is impossible to disperse the phosphor in a general-purpose glass. This is because the phosphor is destroyed at the softening temperature of the glass. Therefore, glass with a low softening temperature (low melting point glass) will be used, but in a temperature range where the phosphor does not have a thermal effect, even in the softened state, the fluidity is extremely low and the phosphor particles are evenly dispersed. It is difficult to do. Further, the amount of phosphor particles that can be mixed into the glass is also limited. Therefore, the fluorescent layer becomes thick in order to secure a phosphor necessary for obtaining sufficient fluorescence. Therefore, there is a difference in the amount of light received from the light emitting element per unit volume between the lower layer of the fluorescent layer (on the light emitting element side) and the upper layer of the fluorescent layer (on the light emission surface side). As a result, the distribution of the wavelength spectrum differs between the light emitted from the lower layer and the upper layer, and color unevenness may occur depending on the observation direction.
この発明では、蛍光体の粒子をガラス等の分散媒中に分散させる方策ではなく、蛍光体の粒子自体を透光性無機系連結層で連結し実質的に蛍光体粒子同士が連続するようにした。 In the present invention, the phosphor particles are not dispersed in a dispersion medium such as glass, but the phosphor particles themselves are connected by the translucent inorganic connecting layer so that the phosphor particles are substantially continuous with each other. did.
これにより、蛍光層中において蛍光体粒子が均一かつ密に充填された状態となり単位体積当たりの蛍光体量が最大となる。よって、薄い蛍光層によっても充分な蛍光を取り出すことが可能となり、発光素子からの光を高い効率で波長変換できるとともに、蛍光の波長スペクトルも安定して色むら等の発生を未然に防止できる。
かかる発光デバイスはその構成要素の全部を無機系の材料で形成することが可能になるので、発光デバイスを半田リフロー炉等の熱処理工程にのせることが可能となる。
Thereby, the phosphor particles are uniformly and densely packed in the phosphor layer, and the phosphor amount per unit volume is maximized. Therefore, it is possible to extract sufficient fluorescence even with a thin fluorescent layer, the wavelength of light from the light emitting element can be converted with high efficiency, and the wavelength spectrum of the fluorescence can be stably prevented from causing color unevenness.
Since all of the constituent elements of such a light emitting device can be formed of an inorganic material, the light emitting device can be subjected to a heat treatment process such as a solder reflow furnace.
以下、この発明の各要素について詳細に説明する。
(発光素子)
発光素子には発光ダイオード、レーザダイオードその他の発光素子が含まれる。発光素子の受発光波長も特に限定されるものではなく、紫外光〜緑色系光に有効なIII族窒化物系化合物半導体素子や赤色系光に有効なGaAs系半導体素子を用いることができる。
実施例で用いる紫外線を放出するものはIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。ここに、III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0<X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表される。Alを含むものはこのうち、AlNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN及びAlxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族窒化物系化合物半導体及びGaNにおいて、III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、カーボン(C)等を用いることができる。p型不純物として、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zr)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いることができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層はMOCVD(有機金属気相成長)法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該MOCVD法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
Hereafter, each element of this invention is demonstrated in detail.
(Light emitting element)
The light emitting elements include light emitting diodes, laser diodes and other light emitting elements. The light emitting / receiving wavelength of the light emitting element is not particularly limited, and a group III nitride compound semiconductor element effective for ultraviolet to green light and a GaAs semiconductor element effective for red light can be used.
What emits ultraviolet rays used in the examples is a group III nitride compound semiconductor light emitting device. Here, III nitride compound semiconductor is represented by the general formula Al X Ga Y In 1-X -Y N (0 <X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ X + Y ≦ 1). Among them, those containing Al include a so-called binary system of AlN and a so-called ternary system of Al x Ga 1-x N and Al x In 1-x N (where 0 <x <1). In the group III nitride compound semiconductor and GaN, at least part of the group III element may be replaced with boron (B), thallium (Tl), etc., and at least part of nitrogen (N) may be phosphorus (P ), Arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi) and the like.
Further, the group III nitride compound semiconductor may contain an arbitrary dopant. As the n-type impurity, silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), tellurium (Te), carbon (C), or the like can be used. As the p-type impurity, magnesium (Mg), zinc (Zr), beryllium (Be), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), or the like can be used. Although the group III nitride compound semiconductor can be exposed to electron beam irradiation, plasma irradiation or furnace heating after doping with p-type impurities, it is not essential.
The group III nitride compound semiconductor layer is formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). It is not necessary to form all the semiconductor layers constituting the element by the MOCVD method, and the molecular beam crystal growth method (MBE method), halide vapor phase epitaxy method (HVPE method), sputtering method, ion plating method, etc. are used in combination. Is possible.
発光素子の構成としては、MIS接合、PIN接合やpn接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる光受発光方向(電極面)を光デバイスの光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる光受発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。 As a structure of the light-emitting element, a homostructure, a heterostructure, or a double heterostructure having a MIS junction, a PIN junction, or a pn junction can be used. A quantum well structure (single quantum well structure or multiple quantum well structure) can also be adopted as the light emitting layer. As such a group III nitride compound semiconductor light emitting device, a face-up type in which the main light receiving and emitting direction (electrode surface) is the optical axis direction of the optical device, and the reflected light with the main light receiving and emitting direction opposite to the optical axis direction. A flip chip type using the above can be used.
(蛍光体粒子)
蛍光体粒子には青色系の発光素子とYAG蛍光体との組合せなど、発光デバイスで汎用的に用いられているものをそのまま使用することができる。
例えば、無機系蛍光体として、以下のものを採用することができる。例えば、赤色系の発光色を有する6MgO・As2O5:Mn4+、Y(PV)O4:Eu、CaLa0.1Eu0.9Ga3O7、BaY0.9Sm0.1Ga3O7、Ca(Y0.5Eu0.5)(Ga0.5In0.5)3O7、Y3O3:Eu、YVO4:Eu、Y2O2:Eu、3.5MgO・0.5MgF2GeO2:Mn4+、及び(Y・Cd)BO2:Eu等、青色系の発光色を有する(Ba,Ca,Mg)5(PO4)3Cl:Eu2+、(Ba,Mg)2Al16O27:Eu2+、Ba3MgSi2O8:Eu2+、BaMg2Al16O27:Eu2+、(Sr,Ca)10(PO4)6Cl2:Eu2+
、(Sr,Ca)10(PO4)6Cl2・nB2O3:Eu2+、Sr10(PO4)6Cl2:Eu2+、(Sr,Ba,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr,Ca,Ba)3(PO4)6Cl:Eu、SrO・P2O5・B2O5:Eu、(BaCa)5(PO4)3Cl:Eu、SrLa0.95Tm0.05Ga3O7、ZnS:Ag、GaWO4、Y2SiO6:Ce、ZnS:Ag,Ga,Cl、Ca2B4OCl:Eu2+、BaMgAl4O3:Eu2+、及び一般式(M1,Eu)10(PO4)6Cl2(M1は、Mg,Ca,Sr,及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される蛍光体等、緑色系の発光色を有するY3Al5O12:Ce3+(YAG)、Y2SiO5:Ce3+,Tb3+、Sr2Si3O8・2SrCl2:Eu、BaMg2Al16O27:Eu2+,Mn2+、ZnSiO4:Mn、Zn2SiO4:Mn、LaPO4:Tb、SrAl2O4:Eu、SrLa0.2Tb0.8Ga3O7、CaY0.9Pr0.1Ga3O7、ZnGd0.8Ho0.2Ga3O7、SrLa0.6Tb0.4Al3O7、ZnS:Cu,Al、(Zn,Cd)S:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al、Zn2SiO4:Mn、ZnSiO4:Mn、ZnS:Ag,Cu、(Zn・Cd)S:Cu、ZnS:Cu、GdOS:Tb、LaOS:Tb、YSiO4:Ce・Tb、ZnGeO4:Mn、GeMgAlO:Tb、SrGaS:Eu2+、ZnS:Cu・Co、MgO・nB2O3:Ge,Tb、LaOBr:Tb,Tm、及びLa2O2S:Tb等を用いることができる。また、白色系の発光色を有するYVO4:Dy、黄色系の発光色を有するCaLu0.5Dy0.5Ga3O7を用いることもできる。
(Phosphor particles)
As the phosphor particles, those generally used in light emitting devices such as a combination of a blue light emitting element and a YAG phosphor can be used as they are.
For example, the following can be adopted as the inorganic phosphor. For example, 6MgO.As 2 O 5 : Mn 4+ having a red emission color, Y (PV) O 4 : Eu, CaLa 0.1 Eu 0.9 Ga 3 O 7 , BaY 0.9 Sm 0.1 Ga 3 O 7, Ca (Y 0.5 Eu 0.5) (Ga 0.5 In 0.5) 3 O 7, Y 3 O 3: Eu, YVO 4: Eu, Y 2 O 2: Eu, 3. (Ba, Ca, Mg) 5 (PO 4 ) 3 Cl: Eu 2+ having a blue emission color, such as 5MgO · 0.5MgF 2 GeO 2 : Mn 4+ and (Y · Cd) BO 2 : Eu Ba, Mg) 2 Al 16 O 27 : Eu 2+ , Ba 3 MgSi 2 O 8 : Eu 2+ , BaMg 2 Al 16 O 27 : Eu 2+ , (Sr, Ca) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+
, (Sr, Ca) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 .nB 2 O 3 : Eu 2+ , Sr 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ , (Sr, Ba, Ca) 5 (PO 4 ) 3 Cl : Eu 2+ , Sr 2 P 2 O 7 : Eu, Sr 5 (PO 4 ) 3 Cl: Eu, (Sr, Ca, Ba) 3 (PO 4 ) 6 Cl: Eu, SrO · P 2 O 5 · B 2 O 5 : Eu, (BaCa) 5 (PO 4 ) 3 Cl: Eu, SrLa 0.95 Tm 0.05 Ga 3 O 7 , ZnS: Ag, GaWO 4 , Y 2 SiO 6 : Ce, ZnS: Ag, Ga , Cl, Ca 2 B 4 OCl: Eu 2+ , BaMgAl 4 O 3 : Eu 2+ , and the general formula (M1, Eu) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 (M1 consists of Mg, Ca, Sr, and Ba) At least selected from the group Phosphor or the like are also represented by one element), Y 3 Al 5 O 12 with luminescent color greenish: Ce 3+ (YAG), Y 2 SiO 5:
発光素子からの光の波長が400nm以下の所謂紫外線であった場合、例えば、ZnS:Cu,Al、(Zn,Cd)S:Cu,Al、ZnS:Cu,Au,Al、Y2SiO5:Tb、(Zn,Cd)S:Cu、Gd2O2S:Tb、Y2O2S:Tb、Y3Al5O12:Ce、(Zn,Cd)S:Ag、ZnS:Ag,Cu,Ga,Cl、Y3Al5O12:Tb、Y3(Al,Ga)5O12:Tb、Zn2SiO4:Mn、LaPO4:Ce,Tb、Y2O3S:Eu、YVO4:Eu、ZnS:Mn、Y2O3:Eu、ZnS:Ag、ZnS:Ag,Al、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu、Sr10(PO4)6Cl2:Eu、(Ba,Sr,Eu)(Mg,Mn)Al10O17、(Ba,Eu)MgAl10O17、ZnO:Zn、Y2SiO5:Ceのいずれか又はこれらの中から選ばれる二以上の蛍光体を組み合わせて用いることができる。 When the wavelength of light from the light emitting element is a so-called ultraviolet ray having a wavelength of 400 nm or less, for example, ZnS: Cu, Al, (Zn, Cd) S: Cu, Al, ZnS: Cu, Au, Al, Y 2 SiO 5 : Tb, (Zn, Cd) S: Cu, Gd 2 O 2 S: Tb, Y 2 O 2 S: Tb, Y 3 Al 5 O 12 : Ce, (Zn, Cd) S: Ag, ZnS: Ag, Cu , Ga, Cl, Y 3 Al 5 O 12 : Tb, Y 3 (Al, Ga) 5 O 12 : Tb, Zn 2 SiO 4 : Mn, LaPO 4 : Ce, Tb, Y 2 O 3 S: Eu, YVO 4 : Eu, ZnS: Mn, Y 2 O 3 : Eu, ZnS: Ag, ZnS: Ag, Al, (Sr, Ca, Ba, Mg) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu, Sr 10 (PO 4 ) 6 Cl 2: Eu, ( Ba, Sr, Eu) ( g, Mn) Al 10 O 17 , (Ba, Eu) MgAl 10 O 17, ZnO: Zn, Y 2 SiO 5: either Ce or be used in combination of two or more phosphors selected from these it can.
異なる種類の蛍光体を二以上組み合わせて用いることもできる。
第2の蛍光体は発光素子からの光を吸収して第3の波長光を放出するばかりでなく、第1の蛍光体から放出された蛍光を吸収して第3の波長光を放出するタイプでもよい。
蛍光体に光拡散材を併用することもできる。これにより発光ムラの減少を図ることもできる。
Two or more different types of phosphors can be used in combination.
The second phosphor not only absorbs the light from the light emitting element and emits the third wavelength light, but also absorbs the fluorescence emitted from the first phosphor and emits the third wavelength light. But you can.
A light diffusing material can also be used in combination with the phosphor. As a result, light emission unevenness can be reduced.
(透光性無機系連結層)
透光性無機系連結層は蛍光体粒子を相互に結合させる無機系の材料からなる。従来技術では蛍光体粒子の分散媒として透光性樹脂や低融点ガラスが用いられていたが、この発明の透光性無機系連結層は分散媒として蛍光体粒子を分散させるものではない。透光性無機系連結層が蛍光層に占める体積は蛍光体粒子に比べて極端に小さいからである。図1に示すように、蛍光体粒子1の平均粒径が数μmであるのに対し、この蛍光体粒子1を被覆する透光性無機系連結層3の膜厚は数nmである。換言すれば、当該数nmの極薄い連結層3を介してその約1000倍もの大きさの蛍光体粒子1が連結されている。従って、蛍光体粒子1を均一かつ密に充填するためには、透光性無機系連結層3の膜厚を蛍光体粒子の平均粒径以下とすることが好ましい。
また、透光性無機連結層3により蛍光体粒子1を密に充填した場合、空隙5が形成される。発光素子から放出された光及び蛍光体粒子1からの光がこの空隙5に乱反射され、蛍光層が薄くても両者の光は十分に混合され、白色など求める光の色を得ることができる。
(Translucent inorganic connecting layer)
The translucent inorganic coupling layer is made of an inorganic material that binds the phosphor particles to each other. In the prior art, a translucent resin or a low-melting glass is used as a dispersion medium for phosphor particles. However, the translucent inorganic connecting layer of the present invention does not disperse phosphor particles as a dispersion medium. This is because the volume occupied by the translucent inorganic coupling layer in the fluorescent layer is extremely small compared to the phosphor particles. As shown in FIG. 1, the average particle diameter of the
Further, when the
かかる透光性無機系連結層は無機系被膜形成液から形成することができる。この無機系被膜形成液は、例えば半導体基板の保護被膜を形成するものを用いることができる。この無機系被膜形成液は半導体基板の上に塗布され、乾燥後焼成することによって薄膜(保護膜)となり当該半導体基板に密着する。かかる無機系被膜形成液は、粘度が小さく蛍光体粒子と均等に混合して蛍光体粒子の周囲に薄い膜を形成し、もってこれらを相互に連結するものであれば特に限定されるものではない。例えば化学式Ml+(OR1)mR2 l−m(式中R1は炭素数1〜5の炭化水素基、アルコキシアルキル基またはアシル基、R2はビニル、アミノ、イミノ、エポキシ、アクリロイルオキシ、メタクリロイルオキシ、フェニル、メルカプト及びアルキル基から選ばれる少なくとも一種類を含む有機基、lはMの価数で、l及びmは整数を表す)で表されるアルコキシド化合物の加水分解物及び加水分解・縮重合物の混合物からなる無機系被膜形成液を用いることができる。ここにMはSi、Al、Zr、Ti等の元素を用いることができる。 Such a translucent inorganic coupling layer can be formed from an inorganic film-forming liquid. As this inorganic film forming liquid, for example, a liquid for forming a protective film on a semiconductor substrate can be used. This inorganic film forming liquid is applied onto a semiconductor substrate, dried and baked to form a thin film (protective film), which is in close contact with the semiconductor substrate. Such an inorganic film-forming liquid is not particularly limited as long as it has a small viscosity and is evenly mixed with the phosphor particles to form a thin film around the phosphor particles, thereby connecting them to each other. . For example, chemical formula M 1+ (OR 1 ) m R 2 l−m (wherein R 1 is a hydrocarbon group having 1 to 5 carbon atoms, an alkoxyalkyl group or an acyl group, R 2 is vinyl, amino, imino, epoxy, acryloyloxy) , Methacryloyloxy, phenyl, mercapto and an organic group containing at least one kind selected from an alkyl group, l is a valence of M, and l and m are integers) An inorganic film-forming liquid composed of a mixture of condensation polymerization products can be used. Here, M can use an element such as Si, Al, Zr, or Ti.
一般式Ml+(OR1)mR2 l−mで表されるアルコキシド化合物の加水分解・縮重合は次のようにして行われる。
この発明で用いる無機系被膜形成液は上記アルコキシド化合物の加水分解・縮重合物の混合物であり、水と同程度の流動性を有する。
上記において金属元素MがSiのときには、次に示されるシラン化合物を用いることができる。ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、γ−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリアセトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、β−シアノエチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどである。
The inorganic film forming liquid used in the present invention is a mixture of the hydrolyzed / condensed polymer of the alkoxide compound and has a fluidity comparable to that of water.
In the above, when the metal element M is Si, the following silane compounds can be used. Vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltriacetoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropyltriethoxysilane, β- (3,4- Epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, γ- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltriethoxysilane, γ- (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriacetoxysilane, γ-mercaptopropyltri Methoxysilane, γ-chloropropyltrimethoxysilane, β-cyanoethyltriethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltributoxysilane, ethyl Trimethoxysilane, ethyl triethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and the like tetrabutoxysilane.
無機系被膜形成液として上記の他に、ポリイミドシロキサンなど特許文献2に記載の被膜形成液を用いることも可能と考えられる(特開平11−110754号公報、特開9−183948号公報参照)。
上記各種無機系被膜形成液として2種以上を併用することもできる。
In addition to the above, it is also possible to use a film forming liquid described in Patent Document 2, such as polyimidesiloxane, as the inorganic film forming liquid (see JP-A-11-110754 and JP-A-9-183948).
Two or more kinds of the various inorganic film forming liquids can be used in combination.
かかる無機系被膜形成液と蛍光体粒子とを混合して蛍光層前駆材料を得る。この蛍光層前駆材料はゾル状であって流動性が高い。従って、これを用いて任意形状の蛍光層を形成することができる。発光素子へ蛍光層前駆材料を直接塗布することにより、発光素子の全体をこの材料で被覆することができる。勿論、発光素子のマウントされたカップ状の部分へ当該材料を充填してもよい。
蛍光体粒子がアルカリ土類金属元素を含有し、その成分が水と反応した場合、蛍光体の成分等が変化し、蛍光体の効率を低下させるおそれがある。無機系皮膜形成液に水分が含まれると、このような反応が生じ、当該混合の前及び/又は後において無機系皮膜形成液から十分に水分を除去する必要がある。例えば、加熱除去、減圧除去、乾燥剤による除去のいずれか又はそれらの併用により水分を除去する。
The inorganic film forming liquid and phosphor particles are mixed to obtain a phosphor layer precursor material. This phosphor layer precursor material is sol and has high fluidity. Therefore, a fluorescent layer having an arbitrary shape can be formed using this. By directly applying the phosphor layer precursor material to the light emitting element, the entire light emitting element can be covered with this material. Of course, the material may be filled into the cup-shaped portion where the light emitting element is mounted.
When the phosphor particles contain an alkaline earth metal element and the component reacts with water, the phosphor component or the like may change, and the efficiency of the phosphor may be reduced. When water is contained in the inorganic film forming liquid, such a reaction occurs, and it is necessary to sufficiently remove the water from the inorganic film forming liquid before and / or after the mixing. For example, moisture is removed by any one of heat removal, reduced pressure removal, desiccant removal, or a combination thereof.
この無機系被膜形成液は比較的低温で硬化し蛍光体粒子を固定する。実施例のシラン化合物の場合は200℃程度で硬化する。更には、400℃程度の熱処理により有機成分の多くが解離することとなる。なお、500℃を越えて加熱をすると蛍光体が変性するおそれがある。したがって、無機系被膜形成液の加熱温度は500℃以下とすることが好ましい。
また、この蛍光層前駆材料の流動性を利用してこれをモールド成形することも可能である。即ち、蛍光層の形状の金型へ当該蛍光層前駆材料を注入し、型成形する。このようにして形成された蛍光層を発光素子へ被着する。これにより、蛍光層を任意の形状にかつ高い寸法精度で形成可能となる。
This inorganic film forming liquid is cured at a relatively low temperature to fix the phosphor particles. In the case of the silane compound of the example, it is cured at about 200 ° C. Furthermore, most of the organic components are dissociated by the heat treatment at about 400 ° C. In addition, there exists a possibility that a fluorescent substance may modify | denature when it heats exceeding 500 degreeC. Therefore, the heating temperature of the inorganic film forming liquid is preferably 500 ° C. or less.
It is also possible to mold the phosphor layer precursor material by utilizing the fluidity thereof. That is, the phosphor layer precursor material is injected into a mold having the shape of the phosphor layer and molded. The fluorescent layer thus formed is attached to the light emitting element. Thereby, the fluorescent layer can be formed in an arbitrary shape and with high dimensional accuracy.
次に、この発明の実施例について説明する。
(第1実施例)
この実施例では光学素子として図2に示すフェイスアップタイプのIII族窒化物系化合物半導体発光素子10を用いた。この発光素子は青色系光を放出する。
発光素子10の各層のスペックは次の通りである。
層 : 組成
p型層15 : p−GaN:Mg
発光する層を含む層14 : InGaN層を含む
n型層13 : n−GaN:Si
バッファ層12 : AlN
基板11 : サファイア
なお、発光する層を含む層のIII族元素の組成比を調整することにより発光素子の発光波長を調整可能である。また、透光性電極16及びp電極17の代わりにp型層15の上面を被覆する厚膜なp型電極を採用するフリップチップタイプの発光素子を用いることもできる。
Next, examples of the present invention will be described.
(First Example)
In this example, a face-up type III-nitride compound semiconductor
The specifications of each layer of the
Layer: Composition p-type layer 15: p-GaN: Mg
Layer 14 including light emitting layer: n-type layer including InGaN layer 13: n-GaN: Si
Buffer layer 12: AlN
Substrate 11: Sapphire Note that the emission wavelength of the light-emitting element can be adjusted by adjusting the composition ratio of the group III element in the layer including the light-emitting layer. In addition, a flip-chip type light emitting element that employs a thick p-type electrode that covers the upper surface of the p-type layer 15 instead of the translucent electrode 16 and the p-electrode 17 can also be used.
基板11の上にはバッファ層12を介してn型不純物としてSiをドープしたGaNからなるn型層13を形成する。ここで、基板11にはサファイアを用いたがこれに限定されることはなく、サファイア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
ここでn型層13はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型層13はn型不純物としてSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
発光する層を含む層14は量子井戸構造(多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造)を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
An n-type layer 13 made of GaN doped with Si as an n-type impurity is formed on the substrate 11 via a buffer layer 12. Here, although sapphire is used for the substrate 11, it is not limited to this, and sapphire, spinel, silicon carbide, zinc oxide, magnesium oxide, manganese oxide, zirconium boride, a group III nitride compound semiconductor single crystal Etc. can be used. Further, the buffer layer is formed by MOCVD using AlN, but the present invention is not limited to this, and GaN, InN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, etc. can be used as the material, and molecular beam crystal growth is used as the manufacturing method. A method (MBE method), a halide vapor phase epitaxy method (HVPE method), a sputtering method, an ion plating method, or the like can be used. When a group III nitride compound semiconductor is used as the substrate, the buffer layer can be omitted.
Further, the substrate and the buffer layer can be removed as necessary after the semiconductor element is formed.
Here, the n-type layer 13 is formed of GaN, but AlGaN, InGaN, or AlInGaN can be used.
The n-type layer 13 is doped with Si as an n-type impurity, but Ge, Se, Te, C, or the like can also be used as an n-type impurity.
The layer 14 including the light emitting layer may include a quantum well structure (multiple quantum well structure or single quantum well structure), and the light emitting element has a single hetero type, a double hetero type, and a homojunction. It may be of a type.
発光する層を含む層14はp型層15の側にMg等をドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層14中に注入された電子がp型層15に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層14の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型層15を形成する。このp型層15はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。p型不純物の導入後に、電子線照射、炉による加熱、プラズマ照射等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。
上記構成の発光素子において、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法等の方法で形成することもできる。
The layer 14 including the light emitting layer may include a group III nitride compound semiconductor layer having a wide band gap doped with Mg or the like on the p-type layer 15 side. This is to effectively prevent the electrons injected into the layer 14 including the light emitting layer from diffusing into the p-type layer 15.
A p-type layer 15 made of GaN doped with Mg as a p-type impurity is formed on the layer 14 including the light-emitting layer. The p-type layer 15 can be AlGaN, InGaN, or InAlGaN, and Zn, Be, Ca, Sr, and Ba can be used as the p-type impurity. After introducing the p-type impurity, the resistance can be lowered by a known method such as electron beam irradiation, heating in a furnace, or plasma irradiation.
In the light emitting device having the above-described configuration, each group III nitride compound semiconductor layer is formed by performing MOCVD under general conditions, a molecular beam crystal growth method (MBE method), a halide vapor phase epitaxy method (HVPE method). ), A sputtering method, an ion plating method, or the like.
n電極18はAlとVの2層で構成され、p型層15を形成した後にp型層15、発光する層を含む層14、及びn型層13の一部をエッチングにより除去することにより表出したn型層13上に蒸着で形成される。
透光性電極16は金を含む薄膜であって、p型層15の上に積層される。p電極17も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極16の上に形成される。以上の工程により各層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
The n-electrode 18 is composed of two layers of Al and V. After the p-type layer 15 is formed, the p-type layer 15, the layer 14 including the light emitting layer, and a part of the n-type layer 13 are removed by etching. It is formed by vapor deposition on the exposed n-type layer 13.
The translucent electrode 16 is a thin film containing gold and is stacked on the p-type layer 15. The p-electrode 17 is also made of a material containing gold, and is formed on the translucent electrode 16 by vapor deposition. After forming each layer and each electrode by the above process, the separation process of each chip is performed.
蛍光層前駆材料は次のようにして調製した。
まず、200mlビーカーにγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン70.71gと水32.32gとイソプロピルセロソルブ54.97gを取り室温で1時間攪拌して、無機系被膜形成液を得る。
この無機系被膜形成液にYAG系蛍光体粒子(平均粒子径3μm)61.0gをボールミルポットに入れて3時間ボールミルにより分散させ蛍光層前駆材料とする。
The phosphor layer precursor material was prepared as follows.
First, 70.71 g of γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 32.32 g of water, and 54.97 g of isopropyl cellosolve are placed in a 200 ml beaker and stirred at room temperature for 1 hour to obtain an inorganic film forming solution.
In this inorganic coating liquid, 61.0 g of YAG phosphor particles (
この蛍光層前駆材料を400℃で10分焼成したとき、無機系被膜形成液が硬化して薄い透光性無機系連結層となり蛍光体粒子を被覆する。これにより蛍光体粒子は相互に連結固定され、蛍光層となる。 When this phosphor layer precursor material is baked at 400 ° C. for 10 minutes, the inorganic film-forming liquid is cured to form a thin light-transmitting inorganic coupling layer and coat the phosphor particles. As a result, the phosphor particles are connected and fixed to each other to form a phosphor layer.
次に、この蛍光層前駆材料をウエハから分離前の発光素子10の上面(主たる発光面)に塗布し、上記条件(400℃、10分)で熱処理すると、図3に示すように、発光素子10の上面に蛍光層20が形成されることとなる。ウエハから分離された発光素子10へ蛍光層前駆材料を塗布すると、その流動性により蛍光層前駆材料は発光素子の側面までも被覆することができる。また、蛍光層前駆材料に対して発光素子を浸漬すれば、発光素子の全表面を当該蛍光層前駆材料で被覆できる。この状態で熱処理をすれば、発光素子の全ての表面を蛍光層で被覆可能となる(図4、図5参照)。
Next, when this phosphor layer precursor material is applied to the upper surface (main light emitting surface) of the
蛍光層20で被覆された発光素子10を組み付けた発光デバイス30の例を図6に示す。この発光デバイス30において発光素子10はマウントリード31のカップ部32の底面に固定される。マウントリード31、サブリード33は砲弾型の封止部材37で封止されている。
かかる構成の発光デバイス30によれば、発光素子10から放出された光は蛍光層20において蛍光体を励起させ、蛍光体から蛍光を放出させる。例えば発光素子10として青色系発光ダイオードを選択し、青色光を励起光とする蛍光体と組合せると、発光デバイス30として白色系の出力光が得られる。
An example of the
According to the
図7には、他の態様の発光デバイス40を示す。なお、図6と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この発光デバイス40では、発光素子10の表面に蛍光層20を積層する代わりに、カップ部32へ蛍光層前駆材料を充填固化した。これにより、発光素子10を全体的に囲う蛍光層41が得られる。なお、この実施例の蛍光層41においては蛍光体が密に充填されているので、蛍光体の種類によっては蛍光層としての光透過率が低下してしまうおそれがある。この場合には、光の通路を確保するため透光性の充填材粒子を蛍光体粒子に混合することが好ましい。
FIG. 7 shows a
(第2実施例)
この実施例では、蛍光層前駆材料を用いて蛍光層をモールド成形する。
蛍光層前駆材料としては、前の実施例で用いたものに増粘材等の助剤を加え、モールド成形に適した粘度とする。
図8に示す発光デバイス50では、プレス成形されたカップ状の蛍光層51が発光素子10に被せられている。なお、図6と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この蛍光層51の平面図を図9に示す。図9に示すとおり、型成形されたこの実施例の蛍光層51にはボンディングワイヤを逃がすための切欠き52、53が形成されている。
(Second embodiment)
In this embodiment, the phosphor layer is molded using the phosphor layer precursor material.
As the fluorescent layer precursor material, an auxiliary agent such as a thickener is added to the material used in the previous embodiment to obtain a viscosity suitable for molding.
In the
図10には他の例の発光デバイス60を示す。この発光デバイス60ではフリップチップタイプの発光素子61が用いられる。この発光素子61はバンプ62、63を介してリードフレーム65、66へ連結される。発光素子61にはマス形にプレス成形された蛍光層68が被せられている。フリップチップタイプの発光素子は、図2に示すフェイスアップタイプのものにおいて、透光性電極16とパット形のp電極17の代わりにp型層の表面を被覆する厚膜のp電極を積層した構成である。
FIG. 10 shows another example of the
モールド成形された蛍光層の例として、図11に示すものを採用することができる。図11Aに示す蛍光層71は砲弾型である。図11Bに示す蛍光層72は反射レンズ形である。
As an example of the molded fluorescent layer, the one shown in FIG. 11 can be adopted. The
図12に示す発光デバイス80では型成形した蛍光層81を基体としてこれへ発光素子10をマウントしている。図中符号83は反射ケース、符号84、85はリードである。かかる発光デバイス80によれば、発光素子10から放出された光は反射ケース83で反射され、基体である蛍光層81へ入射してその蛍光体を励起させる。
In the light-emitting
(第3実施例)
図13及び図14に他の実施例の発光デバイス160を示す。なお、図10と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例ではモールド成形されたマス型蛍光層168とフリップチップ型発光素子61との間に透光性材料169が充填されている。
蛍光層168に含有させる蛍光体は特に限定されないがYAG系蛍光体、BOS系蛍光体が好ましい。これらの蛍光体に対する発光素子61として、紫外線、赤色系光、青色系光、黄色系光及び緑色系光を放出するものの1種又は2種以上を用いることができる。
YAG系蛍光体等の光変換効率が高く、少量で十分な光波長変換を行える蛍光体の場合には蛍光層前駆材料中に充填剤(SiO2、Al2O3、TiO2等)を配合することが好ましい。これは、充填剤を導入することにより蛍光層168の成形性が向上するからである。また、充填材を導入しても蛍光体の光変換効率が高いので蛍光層168全体として十分な光変換能を有している。
(Third embodiment)
13 and 14 show a
In this embodiment, a light-transmitting
The phosphor contained in the
In the case of phosphors with high light conversion efficiency such as YAG phosphors and capable of sufficient light wavelength conversion, fillers (SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2, etc.) are included in the phosphor layer precursor material It is preferable to do. This is because the moldability of the
蛍光層168の厚さは、発光デバイスに求められる色調に合わせて、任意に選択される。蛍光層168は全ての部位において同じ厚さに形成される必要はなく、発光素子61からの光の放出強さにあわせてその厚さを変化させることができる。
蛍光層168の下縁は少なくとも発光素子61の発光層より下側に位置するものとする。好ましくは、図13に示すように、発光素子61が載置される基台の表面に蛍光層168の下縁を当接させる。これにより、発光素子61の側面から放出される光が確実に蛍光層168を通過して波長変換されることとなる。
蛍光層168と発光素子61との間には、図14に示すとおり、透光性無機材料169が実質的に隙間無く充填されている。透光性無機材料169を充填することにより、空気層がなくなり、空気及び真空状態よりも、屈折率の高い透光性無機材料169が発光素子に隣接することにより、発光素子からの光取出し効率が向上する。及び発光素子からの発熱が発光素子に隣接された透光性無機材料169と蛍光層168を経由して、その外側に設置されている封止層37に伝わることになり、封止材の熱による劣化も低減できるし、また逆に透光性無機材料169が存在することによって、発光素子からの熱が、存在しない場合に比較して、より多く伝達されることになり、発光素子の熱的な機能低下を少なくすることが出来る。また透光性無機材料169を充填することにより、封止剤37を封止する工程に於いて、蛍光層の機械的強度が向上し、取扱いが容易になる。
透光性無機材料としては、蛍光層168の蛍光層前駆材料を構成する無機系皮膜形成液を用いることが、接着性向上の見地から、好ましい。
The thickness of the
It is assumed that the lower edge of the
Between the
As the translucent inorganic material, it is preferable to use an inorganic film forming liquid that constitutes the fluorescent layer precursor material of the
この実施例の発光デバイス161は次のように形成される。即ち、リードフレーム65、66へバンプ62、63によりフリップチップタイプの発光素子61を固定する。他方、蛍光層168をモールド成形により形成しておく。そして、マス型の蛍光層168へ流動性のある無機系皮膜形成液(透光性有り)を充填し、発光素子61へ被せる。これにより、モールド成形された蛍光層168と発光素子61との間に無機系皮膜形成液が充填される。その後、加熱をすると無機系皮膜形成液が硬化して、発光素子61と蛍光層168とが強固に結合される。
The light emitting device 161 of this embodiment is formed as follows. That is, the flip chip type
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
1 蛍光体粒子
3 透光性無機系連結層
5 空間
10、61 発光素子
20、41、51、68、71、72、73、81、168 蛍光層
30、40、50、60、80、161 発光デバイス
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記蛍光層は蛍光体粒子と透光性無機系連結層とからなり、該透光性無機系連結層を介して該蛍光体粒子が連結され、前記蛍光体粒子間に空間が形成される、ことを特徴とする発光デバイス。 In a light emitting device comprising: a light emitting element; and a fluorescent layer that excites and fluoresces light emitted from the light emitting element.
The fluorescent layer is Ri Do from the phosphor particles and the light-transmitting inorganic coupling layer, the phosphor particles are connected through the light-transmitting inorganic coupling layer, Ru space is formed between the phosphor particles A light emitting device characterized by that.
前記蛍光層前駆材料を熱処理して、前記無機系被膜形成液を硬化して透過性無機系連結層を形成し、該透過性無機系連結層を介して蛍光体粒子を連結するとともに、前記蛍光体粒子間に空間を形成する、
ことを特徴とする発光デバイス用の蛍光層の製造方法。 The inorganic film-forming liquid has a chemical formula M 1 + (OR 1 ) m R 2 l−m (where M is an element including any one of Si, Al, Zr, and Ti, and R 1 has 1 to 5 carbon atoms) A hydrocarbon group, an alkoxyalkyl group or an acyl group; R 2 is an organic group containing at least one selected from vinyl, amino, imino, epoxy, acryloyloxy, methacryloyloxy, phenyl, mercapto and alkyl groups; the number, and an inorganic film forming solution consisting of a mixture of l and m is hydrolyzate of an alkoxide compound represented by an integer) and hydrolysis-condensation polymerization product, a fluorescent layer precursor by mixing the phosphor particles Create material,
The phosphor layer precursor material is heat-treated, the inorganic film forming liquid is cured to form a transparent inorganic coupling layer, phosphor particles are coupled through the transparent inorganic coupling layer, and the fluorescence Forming spaces between body particles,
A method for producing a fluorescent layer for a light-emitting device.
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