JP5078488B2 - 発光素子およびその製造方法ならびに光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
このような透明な外装部材の屈折率は、一般に空気の屈折率よりもかなり大きく、外装部材から外部に光が出ようとするときに、界面で反射が起こる。この反射した光は、角度によっては、外装部材内から外へ出ることができず最終的には熱となってしまう。
他方、特許文献2には、ブレード加工で電流拡散層に断面三角形状のラインアンドスペースパターンを形成し、さらに高温の塩酸処理をして表面にサブミクロンの凹凸を形成する方法、またはフォトレジストを使ってラインアンドスペースパターンを形成し、さらにリアクティブ・イオン・エッチング(RIE)して同様の微小凹凸を形成する方法が開示されているが、これらの方法も煩雑なプロセスであるという問題があった。
また、集光した光の照射の際には、従来周知のフォーカシング技術を用いることで、半導体素子の反りなどにも容易に対応することができ、量産性を向上することができる。
次に、本発明の発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。参照する図において、図1(a)は、LEDパッケージの図であり、(b)は、(a)の拡大図である。
LED素子10は、従来周知の素子であり、詳細は図示しないが、n型クラッド層、p型クラッド層および活性層などを有する。図1(a)においては、上側の面が、光が外部へ放出される発光面18である。
記録材料層12は、強い光の照射により光が熱に変換されてこの熱により材料が形状変化して凹部を形成することが可能な層であり、いわゆるヒートモード型の記録材料の層である。このような記録材料は、従来、光記録ディスクなどの記録層に多用されており、たとえば、シアニン系、フタロシアニン系、キノン系、スクワリリウム系、アズレニウム系、チオール錯塩系、メロシアニン系などの記録材料を用いることができる。
従って、記録材料層12に含有される記録物質としては、色素等の有機化合物が挙げられる。なお、記録材料層12の材料としては、有機材料に限られず、無機材料または無機材料と有機材料の複合材料を使用できる。ただし、有機材料であると、成膜をスピンコートにより容易にでき、転移温度が低い材料を得易いため、有機材料を採用するのが好ましい。また、有機材料の中でも、光吸収量が分子設計で制御可能な色素を採用するのが好ましい。
例えば、レーザ光源の発振波長が780nm付近であった場合、ペンタメチンシアニン色素、ヘプタメチンオキソノール色素、ペンタメチンオキソノール色素、フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素などから選択することが有利である。
また、レーザ光源の発振波長が660nm付近であった場合は、トリメチンシアニン色素、ペンタメチンオキソノール色素、アゾ色素、アゾ金属錯体色素、ピロメテン錯体色素などから選択することが有利である。
さらに、レーザ光源の発振波長が405nm付近であった場合は、モノメチンシアニン色素、モノメチンオキソノール色素、ゼロメチンメロシアニン色素、フタロシアニン色素、アゾ色素、アゾ金属錯体色素、ポルフィリン色素、アリリデン色素、錯体色素、クマリン色素、アゾール誘導体、トリアジン誘導体、ベンゾトリアゾール誘導体、1−アミノブタジエン誘導体、キノフタロン系色素などから選択することが有利である。
なお、上記の上限値及び下限値は、それぞれが任意で組み合わせることができる。
ここで、記録材料層12は、単層でも重層でもよく、重層構造の場合、塗布工程を複数回行うことによって形成される。
塗布液中の色素の濃度は、一般に0.01〜15質量%の範囲であり、好ましくは0.1〜10質量%の範囲、より好ましくは0.5〜5質量%の範囲、最も好ましくは0.5〜3質量%の範囲である。
上記溶剤は使用する色素の溶解性を考慮して単独で、或いは二種以上を組み合わせて使用することができる。塗布液中には、更に、酸化防止剤、UV吸収剤、可塑剤、潤滑剤等各種の添加剤を目的に応じて添加してもよい。
記録材料層12(記録層化合物)は、スピンコート法による形成に有利であるという点から、有機溶媒に対して0.3wt%以上30wt%以下で溶解することが好ましく、1wt%以上20wt%以下で溶解することがより好ましい。特にテトラフルオロプロパノールに1wt%以上20wt%以下で溶解することが好ましい。また、記録層化合物は、熱分解温度が150℃以上500℃以下であることが好ましく、200℃以上400℃以下であることがより好ましい。
塗布の際、塗布液の温度は、23〜50℃の範囲であることが好ましく、24〜40℃の範囲であることがより好ましく、中でも、25〜30℃の範囲であることが特に好ましい。
褪色防止剤としては、一般的に一重項酸素クエンチャーが用いられる。一重項酸素クエンチャーとしては、既に公知の特許明細書等の刊行物に記載のものを利用することができる。
その具体例としては、特開昭58−175693号公報、同59−81194号公報、同60−18387号公報、同60−19586号公報、同60−19587号公報、同60−35054号公報、同60−36190号公報、同60−36191号公報、同60−44554号公報、同60−44555号公報、同60−44389号公報、同60−44390号公報、同60−54892号公報、同60−47069号公報、同63−209995号公報、特開平4−25492号公報、特公平1−38680号公報、及び同6−26028号公報等の各公報、ドイツ特許350399号明細書、そして日本化学会誌1992年10月号第1141頁等に記載のものを挙げることができる。前記一重項酸素クエンチャー等の褪色防止剤の使用量は、色素の量に対して、通常0.1〜50質量%の範囲であり、好ましくは、0.5〜45質量%の範囲、更に好ましくは、3〜40質量%の範囲、特に好ましくは5〜25質量%の範囲である。
この色素の吸収ピークの波長は、必ずしも可視光の波長域内であるものに限定されず、紫外域や、赤外域にあるものであっても構わない。
色素には、吸収波長のピーク波長の長波側に屈折率の高い波長域が存在するが、この波長域と発光素子の発光波長とを合わせることが好ましい。そのためには、色素吸収波長λaが発光素子の中心波長λcより短い(λa<λc)ことが好ましい。λaとλcの差は、好ましくは10nm以上、より好ましくは25nm以上、さらに好ましくは50nm以上離れるのがよい。λaとλcが近すぎると、色素の吸収波長域が発光素子の中心波長λcにかかり、光が吸収されるからである。また、λaとλcの差の上限は、500nm以下であるのが好ましく、より好ましくは300nm以下、さらに好ましくは200nm以下である。λaとλcが離れすぎると、発光素子の光にとって屈折率が小さくなってしまうからである。
以上のような観点から、λa<λw<λcの関係にあることが最も好ましいといえる。
この厚みは、例えば、1〜10000nmの範囲で適宜設定することができ、厚さの下限は、好ましくは10nm以上であり、より好ましくは30nm以上である。その理由は、厚さが薄すぎると、凹部15が浅く形成されるため、光学的な効果が得られなくなるからである。また、後述するように記録材料層12をエッチングマスクとして利用する場合には、エッチング効果が得難くなるからである。また、厚さの上限は、好ましくは1000nm以下であり、より好ましくは500nm以下である。その理由は、厚さが厚すぎると、大きなレーザパワーが必要になるとともに、深い穴を形成することが困難になるからであり、さらには、加工速度が低下するからである。
なお、「透明」とは、LED素子10が発する光に対して、当該光を透過する(透過率:90%以上)ほどに透明であることを意味する。
記録材料層12(記録層化合物)に、材料の光吸収がある波長(材料で吸収される波長)のレーザ光を照射すると、記録材料層12によってレーザ光が吸収され、この吸収された光が熱に変換され、光の照射部分の温度が上昇する。これにより、記録材料層12が、軟化、液化、気化、昇華、分解などの化学または/および物理変化を起こす。そして、このような変化を起こした材料が移動または/および消失することで、凹部15が形成される。なお、バリア層13は非常に薄い層であるため、記録材料層12の移動または/および消失に伴って、一緒に移動または/および消失する。
なお、ここでいう直径または溝の幅は、凹部15の半分の深さにおける大きさ、いわゆる半値幅である。
図4(a)〜(c)は、LEDパッケージの製造工程を示す図である。
図4(a)に示すように、まず、従来公知の方法で製造されたLED素子10の本体である発光部11を用意する。
そして、図4(b)に示すように、記録材料層12とバリア層13をこの順に形成する。
また、光ディスクドライブと同様のフォーカシング技術、例えば、非点収差法などを用いることにより、発光部11にうねりや反りがあったとしても、発光面18の表面に容易に集光することが可能である。
光学系30の開口数NAは、下限が0.4以上が好ましく、より好ましくは0.5以上、さらに好ましくは0.6以上である。また、開口数NAの上限は、2以下であるのが好ましく、より好ましくは1以下、さらに好ましくは0.9以下である。開口数NAが小さすぎると、細かい加工ができず、大きすぎると、記録時の角度に対するマージンが減るからである。
そして、上述したように、記録材料層12の形成は塗布などにより大量に一斉に行うことができ、凹部15の形成は、従来公知の光ディスクドライブなどと同様の構成で、早く、安価に行うことができる。また、公知のフォーカシング技術を利用することで、素材にうねりがあっても凹部15を簡単に製造することができる。このような工程は、従来のように、材料を塗布してベーキング、露光、ベーキング、エッチングといった複雑な工程を利用するのと比較すると極めて簡単である。したがって、簡易に発光素子の発光面に微細な凹凸形状を形成して発光効率を向上することが可能である。
次に本発明の第2実施形態に係る光学素子およびその製造方法について説明する。参照する図において、図5は、第2実施形態に係る光学素子の図である。
光学素子10Aは、光の透過性が高い部材で、発光素子の発光面に密着または接着されて用いられる。例えば、第1実施形態に例示したLEDパッケージ1の発光面18の表面や、蛍光管の表面などに貼り付けて用いられる。
支持体11Aは、発光素子が発する光に対して十分な透過性(例えば透過率80%程度以上)を有していればよく、例えばポリカーボネートなどの樹脂や、ガラス材料が用いられる。
次に、本発明の第3実施形態に係る発光素子の製造方法について説明する。参照する図において、図6(a)〜(c)は、第3実施形態に係るLED素子の製造工程を示す図である。
たとえば、前記実施形態においては、発光素子の例としてLED素子を示したが、発光素子は、LED素子に限られず、プラズマディスプレイ素子、レーザ、SED素子、蛍光間、EL素子など、発光する器具であれば何でもよい。
前記実施形態においては、発光素子の発光面に直接記録材料層12を設けたが、発光面との間に他の材料を介して記録材料層12を設けてもよい。また、半導体からなるLED素子の表面に、保護層やレンズが設けられている場合には、それらの保護層やレンズの表面(空気との界面)が発光面になるので、それらの表面に記録材料層12および凹部15を設ければよい。
前記実施形態においては、凹部15を形成するのにレーザ光を用いたが、必要な大きさに集光できれば、レーザ光のような単色光でなくても構わない。
前記した第3実施形態では、穴部16を形成する発光面18上に直接記録材料層12等をエッチングマスクとして形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光面18を含む層をエッチングするためのエッチングガスによって、記録材料層12等が容易に削られてしまう場合には、図7(a)に示すように、記録材料層12等に影響をほとんど与えないエッチングガスによってエッチング可能なマスク層17を、発光面18と記録材料層12との間に設けてもよい。
実施例としては、上述した第2実施形態と同様の光学素子を作成した。光学素子は、ディスク状の表面が平らなポリカーボネートの基板(支持体)上に100nm厚の色素層(記録材料層)を形成し、これにレーザ光により0.5μmピッチの凹部を1mm四方に形成した。
各層の詳細は以下の通りである。
材質 ポリカーボネート
厚さ 0.6mm
外径 120mm
内径 15mm
・色素層(記録材料層)
下記化学式の色素材料2gをTFP(テトラフルオロプロパノール)溶剤100mlに溶解し、スピンコートした。スピンコートの際には、塗布開始回転数500rpm、塗布終了回転数1000rpmとして塗布液を基板の内周部にディスペンスし、徐々に2200rpmまで回転を上げた。なお、色素材料の屈折率nは1.986であり、消衰係数kは0.0418である。
DCマグネトロンスパッタにより、ZnO−Ga203(ZnO 95重量%、Ga203 5重量%)の薄膜を形成した。
厚さ 約5nm
出力 1kW
膜形成時間 2秒
雰囲気 Ar(流量50sccm)
凹部の形成条件は下記の通りである。
レーザ出力 2mW
線速 5m/s
記録信号 5MHzの矩形波
実施例1に対し、バリア層を設けない光学素子とした点のみが異なり、他の点は共通にした。
実施例1の基板の材質をシリコンに変更するととともに、凹部のピッチを0.5μmに変更した。なお、その他の条件は、実施例1と同様とした。そして、実施例1と同様にして、記録材料層およびバリア層に凹部を形成した後、ドライエッチングによりシリコンの基板に凹凸を形成した。なお、ドライエッチングの条件は、以下の通りである。
エッチングガス SF6+CHF3(1:1)
凹部の深さ 50nm
記録材料層等を剥離する剥離液 エタノール
10 LED素子
10A 光学素子
11 発光部
11A 支持体
12 記録材料層
13 バリア層
15 凹部
16 穴部
17 マスク層
17a 貫通孔
18 発光面
Claims (6)
- 発光体を有する発光素子であって、
発光面にヒートモードの形状変化が可能な記録材料層を有し、
前記記録材料層に、前記発光体が発する光の中心波長の0.01〜100倍のピッチで複数の凹部が形成されていることを特徴とする発光素子。 - 発光体を有する発光素子の製造方法であって、
発光面にヒートモードの形状変化が可能な記録材料層を形成し、
前記記録材料層に、集光した光を照射することで、前記発光体が発する光の中心波長の0.01〜100倍のピッチで複数の凹部を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記記録材料層をマスクとして、エッチングを行うことで、前記発光面に前記凹部に対応した穴部を形成することを特徴とする請求項2に記載の発光素子の製造方法。
- 発光素子の発光面に取り付けられることで、前記発光素子の発光効率を向上する光学素子であって、
前記発光素子が発する光が透過可能な支持体と、
前記支持体の表面にヒートモードの形状変化が可能な記録材料層とを有し、
前記記録材料層に、前記発光素子が発する光の中心波長の0.01〜100倍のピッチで複数の凹部が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 発光素子の発光面に取り付けられることで、前記発光素子の発光効率を向上させる光学素子の製造方法であって、
前記発光素子が発する光が透過可能な支持体の表面に、ヒートモードの形状変化が可能な記録材料層を形成し、
前記記録材料層に、集光した光を照射することで、前記発光素子が発する光の中心波長の0.01〜100倍のピッチで複数の凹部を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記記録材料層をマスクとして、エッチングを行うことで、前記支持体の表面に前記凹部に対応した穴部を形成することを特徴とする請求項5に記載の光学素子の製造方法。
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