半導体発光素子
【課題】蛍光体を含有する波長変換層の光取り出し側に光学フィルタを配置した半導体発光素子を改良し、大出力が要求される用途に適した、良好な発光効率を有する蛍光体変換型の半導体発光素子を提供すること
【解決手段】半導体発光素子は、第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部は、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射する。
【解決手段】半導体発光素子は、第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部は、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが放出する光を波長変換する蛍光体とを備えてなる、蛍光体変換型の半導体発光素子に関し、とりわけ、蛍光体による波長変換の効率を高めるために光学フィルタを用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）が放出する光を蛍光体で波長変換する技術が開発されたことにより、白色光を放出する半導体発光素子（いわゆる白色ＬＥＤ素子）が実現されている。白色ＬＥＤ素子は、一般照明や高画質／大画面ＬＣＤ用バックライトなどにも使われ始めているところ、これらの用途では大出力が要求されることから、最近ではひとつの素子に複数のＬＥＤチップを搭載したマルチチップ型の白色ＬＥＤ素子（特許文献１）を用いることが一般的となっている。
【０００３】
視感度の低い紫外光や紫色光を放出するＬＥＤチップを用いた蛍光体変換型の白色ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップが放出する光を蛍光体によって無駄なく可視光に変換することが、発光効率を高めるうえで重要である。そのために、蛍光体を含有する波長変換層の光取り出し側に、ＬＥＤチップの放出する１次光を反射し、波長変換層で生じる２次光を透過する光学フィルタ（ブラッグ反射鏡、ロングパス・フィルタ、バンドパス・フィルタなど）を設けて、波長変換層を透過して漏洩した１次光を反射させて波長変換層に再び戻すようにした構造が提案されている（特許文献２〜４）。特許文献２には、マルチチップ型の白色ＬＥＤ素子に、かかる構造を適用した例も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９５８９２号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５５１９号公報
【特許文献３】特開２００５−２９４２８８号公報
【特許文献４】特表２００６−５１８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２〜４においては、波長変換層の光取り出し側に光学フィルタを配置した白色ＬＥＤ素子における蛍光体の利用効率の向上について、十分な検討がなされているとはいえない。また、かかる白色ＬＥＤ素子をマルチチップ型とした場合に特有の問題点が検討されていない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、蛍光体を含有する波長変換層の光取り出し側に光学フィルタを配置した半導体発光素子を改良し、大出力が要求される用途に適した、良好な発光効率を有する蛍光体変換型の半導体発光素子を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
波長変換層に含まれる蛍光体の利用効率を高めるには、波長変換層を１次光が透過し易くなるようにすることが、本質的に重要である。また、光学フィルタはその構造上、反射／透過特性の入射角依存性が大きいという性質を持つので、光学フィルタを用いて波長変換層を透過した１次光を選択性よく反射させるには、光学フィルタに入射する１次光が垂直入射成分を多く含むようにする必要がある。本発明はこのような認識に基づきなされた
ものであり、具体的には次に掲げる半導体発光素子を提供するものである。
【０００８】
（１）第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部が、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射することを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の第１凹所を有し、前記発光ダイオードチップが該第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記第１凹所のそれぞれは、当該第１凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする前記（１）記載の半導体発光素子。
【０００９】
上記（１）および（２）の半導体発光素子において奏される作用を、以下に、図面を援用しつつ説明する。なお、本明細書では、便宜上、波長変換層から見て発光ダイオードが配置された側を後側、光学フィルタが配置された側を前側と呼び、また、波長変換層の後側の表面を後面、前側の表面を前面と呼ぶことにする。
【００１０】
図１（ａ）は、本発明に係る上記（１）の半導体発光素子に含まれる波長変換層のみを抜き出して示す断面図である。波長変換層Ｂは、透明な分散媒体Ｍと、その内部に分散された粒子状の蛍光体Ｐとから構成されており、その厚さおよび蛍光体の分散密度は、図１（ａ）に示すように、後側から波長変換層Ｂに入射する１次光Ｌ１の一部が、蛍光体Ｐに吸収されることなく前側に通り抜け可能となるように設定されている（発光ダイオードチップから放出される１次光の一部が、完全に拡散されることなく波長変換層を透過して、光学フィルタに入射可能となるために必要な構成である）。従って、波長変換層Ｂ内に存在する蛍光体粒子の全て、即ち、後面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ１、後面と前面の中間付近の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ２および前面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ３の全てが、後側から波長変換層Ｂに入射する１次光の照射を受けて、波長変換による２次光の生成に寄与することになる。
【００１１】
また、後側から入射する１次光の一部が完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能な波長変換層においては、その内部を伝播する２次光が蛍光体粒子により受ける反射、散乱、屈折なども抑制されている。その結果として、図１（ａ）に模式的に示すように、波長変換層Ｂ内に存在する全ての蛍光体粒子、即ち、蛍光体粒子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３を含む全ての蛍光体粒子から放出される２次光が、波長変換層Ｂの前面から効率よく取り出される。
【００１２】
一方、図１（ｂ）は、対比のために、蛍光体の分散密度が高く、後側から入射する１次光の全てが前面に達する前に完全に拡散される波長変換層を示している。このような波長変換層においては、次の理由から蛍光体の利用効率が著しく低くなる。まず、波長変換層ｂ内に存在する蛍光体粒子のうち、後面近傍の領域に含まれる粒子ｐ１には１次光ｌ１が照射されるものの、この粒子から放出される２次光ｌ２は他の蛍光体粒子に遮蔽されるために、波長変換層ｂの前面に達しない。また、波長変換層ｂの前面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子ｐ２は、１次光ｌ１の照射を殆ど受けることができないので、実質的に２次光の生成に寄与しない。
【００１３】
以上の説明から、発光ダイオードチップが放出する１次光の一部が、完全に拡散される
ことなく光学フィルタに入射するよう構成された上記（１）の半導体発光素子において、蛍光体の利用効率が高くなることが理解されよう。また、このような作用効果は、透明な分散媒体中に粒子状の蛍光体Ｐが分散された波長変換層の場合に限らず生じるものであることは、当業者であれば理解されよう。注意すべきは、上記（１）の半導体発光素子では、波長変換層を透過した１次光を光学フィルタにより反射させて波長変換層に再び戻すことによって、１次光の利用効率をも高めている点である。この構成を伴わず、単に波長変換層を１次光が透過し易くなるようにしただけでは、たとえ蛍光体の利用効率が高くなっても、１次光の利用効率が低いので、トータルでの効率向上は望めない。
【００１４】
次に、上記（２）の半導体発光素子において奏される作用を説明する。
【００１５】
図２は、本発明に係る上記（２）の半導体発光素子の断面構造を示す模式図であり、基本構成として、発光ダイオードチップＡと、波長変換層Ｂと、光学フィルタＣとを、発光素子の光取り出し方向に向かってこの順に備えている。波長変換層Ｂの後側には、光取り出し方向に開口する第１凹所Ｄが複数設けられており、発光ダイオードチップＡはこの第１凹所Ｄのそれぞれにひとつずつ収容されている。発光ダイオードチップＡを取り囲む第１凹所の側面Ｄ１は、発光ダイオードチップＡが放出する１次光を光取り出し方向に導く反射面を備えている。
【００１６】
発光ダイオードチップＡを第１凹所Ｄのそれぞれにひとつずつ収容することにより、第１凹所Ｄから放出される１次光は、光取り出し方向への指向性の強いものとなる。なぜなら、図３に示すように、発光ダイオードチップＡが放出する１次光Ｌ１（一部の成分のみを図示している）が、他の発光ダイオードチップに干渉されることなく、第１凹所の側面Ｄ１に設けられた反射面の作用によって効果的に光取り出し方向に導かれるからである。それに対して、複数の発光ダイオードチップを１つの凹所に収容した場合には、図４に示すように、ある発光ダイオードチップａ１が放出する１次光ｌ１を、同じ凹所内に収容された他の発光ダイオードチップａ２が散乱させるので、凹所から放出される１次光の指向性は弱くなる。
【００１７】
第１凹所を波長変換層の外部に設けることは、発光ダイオードチップが放出する１次光が蛍光体による干渉を受けることなく、第１凹所の側面Ｄ１が備える反射面によって効果的に光取り出し方向に導かれるようにするうえで、必要な構成である。
【００１８】
第１凹所から放出される１次光を、光取り出し方向への指向性の強い光とすることによって、波長変換層の前面近傍の領域に含まれる蛍光体の利用効率が高くなり、その結果、波長変換層から前側に放出される２次光の量が増加する。その理由を簡単にいえば、光取り出し方向に進む成分は波長変換層を最短距離で横切ることから波長変換層内で減衰し難く、それ故に、この成分が増加するように１次光の指向性を強めると、波長変換層の前面近傍の領域に達する１次光の量が増加するからである。
【００１９】
また、光取り出し方向に進む光は波長変換層内で拡散され難く（上記の通り、波長変換層を最短距離で横断するので）、加えて、上記（２）の半導体発光素子においては、後側から波長変換層に入射する１次光の一部が完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能であることから、第１凹所から放出される１次光の光取り出し方向への指向性を強めることによって、光学フィルタに入射する１次光中の垂直入射成分は確実に増加する。この成分は光学フィルタにより選択性よく反射されて波長変換層に戻されるので、蛍光体による波長変換の効率が向上することになる。
【００２０】
以上の説明から、複数の発光ダイオードチップを第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容するように構成した上記（２）の半導体発光素子において、蛍光体による波長変換の効率
が高くなることが理解されよう。
【００２１】
上記（２）の半導体発光素子において、第１凹所の側面が備える反射面の反射特性に限定はないが、好ましくは、反射光の指向性を強くするために、この反射面は鏡面反射の割合が強い反射面とする。
【００２２】
上記（１）または（２）の半導体発光素子は、白色発光素子であってもよく、更に、照明に使用できる色温度２５００Ｋ〜７０００Ｋの白色光を放出する白色発光素子であってもよい。
【００２３】
上記（１）または（２）の半導体発光素子は、１次光の発生源に青色発光ダイオードチップを用いた電球色の白色発光素子であってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、大出力が要求される用途に適した、良好な発光効率を有する蛍光体変換型の半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である（ただし、図１（ｂ）は比較例を示している）。
【図２】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である（ただし、比較例を示している）。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図面であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図８】複合反射リングの構造を示す平面図である。
【図９】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る半導体発光素子において、１次光の発生源に用いるＬＥＤチップに限定はなく、紫外ＬＥＤチップ、紫色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、黄色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップなど、種々のＬＥＤチップを用いることができる。紫外ＬＥＤチップ、紫色ＬＥＤチップおよび青色ＬＥＤチップに関していえば、窒化ガリウム系半導体、酸化亜鉛系半導体、炭化ケイ素系半導体などで構成されたｐｎ接合型の発光構造を備えるものを好ましく用いることができる。
【００２７】
本発明に係る半導体発光素子において、波長変換層に使用する蛍光体の種類に限定はなく、例えば、公知の白色ＬＥＤで使用されている全ての蛍光体が使用可能である。蛍光体の形態も、本発明の目的が達成される限りにおいて、何ら限定されるものではない。パウダーとして供される粒子状の蛍光体は、ポリマー、ガラスなどからなる透明な分散媒体中に分散させる、あるいは、適宜な部材の表面に電着などの方法で堆積させる等、常法に従って固定化することにより、好ましく使用することができる。蛍光体相を含有する発光セラミックからなる薄板状の蛍光体も使用可能である。
【００２８】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る白色ＬＥＤ素子の構造を図５に示す。図５（ａ）は平面図、
図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。この白色ＬＥＤ素子１００は、回路基板１１と、その表面に固定された４個のＬＥＤチップＡと、それぞれが１個のＬＥＤチップＡを取り囲むように回路基板１１上に固定された４個の反射リング１２と、４個の反射リング１２を一括して取り囲むように回路基板１１上に固定された枠体１３とを有している。枠体１３の開口部は蓋体１４により塞がれている。蓋体１４は、波長変換層Ｂと、透明板１５と、光学フィルタＣとから構成されている。なお、図５（ａ）では、見易さのために蓋体１４の図示を省略している。白色ＬＥＤ素子１００において、各ＬＥＤチップＡは、回路基板１１と反射リング１２により形成された凹所、すなわち、底面が回路基板１１の上面であり、側面が反射リング１２の内壁である凹所に収容されている。この凹所は、上記（２）の半導体発光素子にいう第１凹所に該当する。白色ＬＥＤ素子１００の光取り出し方向は、図５（ｂ）中に白い矢印で示す方向である。この方向は、波長変換層Ｂおよび光学フィルタＣの厚さ方向に平行である。
【００２９】
次に、白色ＬＥＤ素子１００の各部の構成を詳しく説明する。
【００３０】
回路基板１１は、詳細な図示を省略しているが、絶縁基板とその表面に形成された配線層とからなる、いわゆるプリント配線板（printed wiring board）である。絶縁基板としては、アルミニウム基板、銅基板などの金属ベース基板、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板などのセラミック基板、ガラス基板が例示される。好ましい絶縁基板は、良好な熱伝導性を有する、金属ベース基板およびセラミック基板である。セラミック基板、ガラスエポキシ基板など、絶縁性のベースを有する絶縁基板を用いた回路基板では、絶縁基板に設けられたスルーホールを通して配線層と接続された端子電極を裏面側に設けることができる。配線層のパターン（回路パターン）は、ＬＥＤチップＡの電極構造、ＬＥＤチップＡ同士の間の接続の仕方、ＬＥＤチップＡへの電力の供給の方法、ＬＥＤチップＡの制御方法などに応じて、適宜公知技術を参照して設計することができる。
【００３１】
ＬＥＤチップＡは公知の紫色ＬＥＤチップ（発光ピーク波長４００〜４２０ｎｍ）であり、典型的には、サファイア基板またはＧａＮ基板上に、エピタキシャル成長技術を用いてＡｌＧａＩｎＮ系結晶からなる発光構造を形成したものである。好ましい発光構造は、ＩｎＧａＮ井戸層を含むＭＱＷ活性層をｎ型およびｐ型のＡｌＧａＮクラッド層で挟んだ、ダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造である。ＬＥＤチップＡの実装形態は特に限定されるものではなく、ＬＥＤチップＡの構造に応じて公知の実装形態から適宜選択することができる。
【００３２】
反射リング１２は金属、セラミック、樹脂などを用いて形成されており、その内壁にはＬＥＤチップＡから放出される１次光を反射可能な反射面が設けられている。ＬＥＤチップＡから放出される１次光を光取り出し方向に導くことができるよう、この内壁は上方に向かって面積が広くなるように傾斜している。
【００３３】
反射リング１２の内壁に設けられる反射面は、拡散反射が強い反射面、鏡面反射が強い反射面、拡散反射と鏡面反射の強さが同程度の反射面の、いずれであってもよい。好ましくは、反射光の光取り出し方向への指向性が強くなることから、鏡面反射が強い反射面である。反射面の好ましい材料は、金属、白色セラミックまたは白色樹脂である。金属で形成される反射面を酸化や腐食から護るための保護膜は任意に設けることができる。好ましい金属は、紫外〜可視にかけての波長域において高い反射率を有する、銀、アルミニウム、ロジウム、白金などである。金属からなる反射面は、乾式メッキまたは湿式メッキにより形成することができる。反射リング１２全体を白色セラミック、白色樹脂などの白色材料で形成する場合には、内壁を平滑にすることによって、好ましい反射面とすることができる。白色セラミックの好適例はアルミナであり、白色樹脂の好適例は、ジルコニア、チタニア、アルミナ、マグネシア、酸化亜鉛、炭酸カルシウムなどの白色顔料を添加したシ
リコーン樹脂である。
【００３４】
反射リング１２の内壁に設けられる反射面によって、ＬＥＤチップＡから放出される１次光が効率よく光取り出し方向に導かれるように、反射リング１２の上端は、回路基板１１上に固定されたＬＥＤチップＡの上面よりも高くする。ＬＥＤチップＡと反射リング１２との間の距離にもよるが、反射リング１２の上端はＬＥＤチップＡの上面よりも０．１ｍｍ以上高いことが好ましく、０．２ｍｍ以上高いことがより好ましい。
【００３５】
枠体１３は、蓋体１４を支持するための部材であり、セラミック、樹脂、金属など、適宜な構造材料を用いて形成される。
【００３６】
蓋体１４は、中央に透明板１５、その片側に波長変換層Ｂ、その反対側に光学フィルタＣを有する、積層体である。透明板１５は、波長変換層Ｂおよび光学フィルタＣの支持体である。透明板１５としては、サファイア、石英ガラス、多成分系ガラスなどからなる透明基板や、ポリエーテルサルフォン、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアリレートなどのポリマー材料からなる、透明フィルム基板を、好ましく用いることができる。
【００３７】
波長変換層Ｂは、シリコーン、エポキシ、アクリレート、ポリカーボネートなどをベースとする透明性の高いマトリックス樹脂中に、粒子状の蛍光体を分散させた組成物で形成されている。白色ＬＥＤ素子１００の演色性を高くするには、波長変換層Ｂに青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を添加する。白色ＬＥＤ素子１００の輝度を高くするには、この緑色蛍光体と赤色蛍光体のいずれか、または両方に、発光スペクトルが波長５５０ｎｍ付近の成分を豊富に含むものを選択して用いればよい。白色ＬＥＤ素子１００の輝度を高くするには、波長変換層Ｂに青色蛍光体および黄色蛍光体を添加してもよい。赤色蛍光体や黄色蛍光体には、ＬＥＤチップＡが放出する１次光によって殆ど励起されず、青色蛍光体が放出する青色光（２次光）で励起されて発光するものを用いることもできる。波長変換層Ｂに添加する各蛍光体の量は、目的とする白色ＬＥＤ素子の色温度に応じて適宜設定する。
【００３８】
波長変換層Ｂに添加して用いることができる蛍光体の具体例を以下に挙げる。
【００３９】
青色蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕなどがある。
【００４０】
緑色蛍光体としては、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｅｕ付活βサイアロン、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ、Ｃａ３（ＳｃＭｇ）５Ｏ１２：Ｃｅ、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎなどがある。
【００４１】
黄色蛍光体としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ、Ｌａ３Ｓｉ６Ｎ１１：Ｃｅなどがある。
【００４２】
赤色蛍光体としては、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）２ （Ｓｉ，Ａｌ）５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉ
（Ｎ，Ｏ）３ ：Ｅｕ、Ｅｕ付活αサイアロン、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）３ＳｉＯ５：Ｅｕ
、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ、Ｋ２ＴｉＦ６：Ｍｎなどがある。
【００４３】
波長変換層Ｂに添加する蛍光体の総量は、後側から波長変換層に入射する１次光の一部が、当該層内で完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能となるように、当該層の厚さに応じて決定する。後側から波長変換層Ｂに入射する１次光の一部が、当該層内で完全
に拡散されることなく前側に通り抜け可能であるか否かを判断するには、非点灯状態の白色ＬＥＤ素子１００を直上の方向から光学的手段（例えば、光学顕微鏡）を用いて観察したとき、波長変換層Ｂを通してＬＥＤチップＡの外郭形状、反射リングＡの外郭形状、回路基板１１の表面に形成された回路パターンなどを視認できるか否かを調べればよい。これらのいずれかが視認可能であるとき、波長変換層Ｂ内の後側に存在する物体の形状に関する光学的情報が波長変換層Ｂを通して光学フィルタＣ側に伝達されているということであるから、１次光が後側から波長変換層Ｂに入射した場合においても、その一部は完全に拡散されることなく波長変換層Ｂを透過して光学フィルタＣに入射すると判断できる。この判断において、光学的観察に用いる可視光の波長はＬＥＤチップＡの発光波長と同一とすることが望ましいが、異なる波長であっても、その差が数百ｎｍ以内であれば構わない。
【００４４】
光学フィルタＣは、透明板１５の片側に、屈折率の異なる２種類の透明薄膜を交互に積層することにより形成することができる。ＬＥＤチップＡが放出する光を選択的に反射するブラッグ反射鏡型の光学フィルタであれば、ＬＥＤチップＡが放出する光の空気中における波長をλ、薄膜の屈折率をｎとした場合に、膜厚をそれぞれλ／（４ｎ）とした２種類の薄膜を交互に積層することにより形成することができる。この場合、２種類の薄膜は、屈折率の差が大きいことが望ましく、典型例としては、二酸化ケイ素薄膜と二酸化チタン薄膜の組合せが挙げられる。積層数を多くすると反射率は高くなるが、膜厚の増加により透過率が低くなる傾向があるので、積層数は透過率が低くなり過ぎない範囲で設定することが好ましい。
【００４５】
特許文献３には、波長約４２０〜７００ｎｍの光に対する透過率が９５％以上、波長約４１０ｎｍ以下の光に対する反射率が略１００％である光学フィルタを、二酸化ケイ素薄膜と二酸化チタン薄膜を積層して形成した例が開示されており、好ましく参照することができる。
【００４６】
光学フィルタＣはポリマー多層光学フィルタであってもよい。ポリマー多層光学フィルタは、貼り合わせによって透明板と複合化することができる。ポリマー多層光学フィルタの具体的な構造および製造方法については、特許文献４を好ましく参照することができる。
【００４７】
回路基板１０上には、反射リング１２の外側であれば、ＬＥＤチップＡ以外の任意の半導体チップを搭載してもよい。例えば、白色ＬＥＤ素子の色調を修正するための可視発光ＬＥＤチップ、ＬＥＤチップＡを静電気破壊から保護するためのツェナーダイオードチップ、白色ＬＥＤ素子の発光状態をモニターするためのフォトダイオードチップなどである。
【００４８】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る白色ＬＥＤ素子は、実施形態１の白色ＬＥＤ素子におけるＬＥＤチップＡを、紫色ＬＥＤチップから青色ＬＥＤチップに置き換えること以外は実施形態１と同様に構成される白色ＬＥＤ素子である。この実施形態２では、光学フィルタの波長選択性の強弱を変えることにより、光学フィルタから光取り出し方向に漏洩する青色光の量が変わるので、それによって白色光の色度調整を行うことができる。光学フィルタの波長選択性の強弱は、光学フィルタを構成する誘電体薄膜の積層数などをパラメータとして制御することが可能である。
【００４９】
実施形態２に係る白色ＬＥＤ素子は、波長変換層に、黄色蛍光体および緑色蛍光体の少なくとも一方と、赤色蛍光体とを添加することによって、電球色の白色発光素子とすることができる。この電球色白色発光素子では、ＬＥＤチップが放出する青色光の大部分を蛍
光体によって長波長の赤色光に変換する必要があるので、本発明の効果が顕著に現れる。
【００５０】
（変形実施形態）
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、ＬＥＤチップＡの封止を行うことができる。封止材には、ＬＥＤチップの封止に適した公知の樹脂を制限なく用いることができる。特に好ましい封止材は、耐光性の高いジメチルシリコーン系の樹脂である。封止材に光拡散性を有する添加物を加えることは、１次光の光取り出し方向への指向性を低下させるので、避けるべきである。図６（ａ）に示す白色ＬＥＤ素子１０１では、ＬＥＤチップＡが収容された凹所内に封止材１６を充填している。この例において、封止材１６の内部から光取り出し方向に１次光が脱出し易くなるように、封止材１６の表面を凸面状に成形することができる。図６（ｂ）に示す白色ＬＥＤ素子１０２では、ＬＥＤチップＡだけでなく反射リング１２全体を封止材１６で覆っている。白色ＬＥＤ素子１０１、１０２は、封止材１６と波長変換層Ｂとの間に空気層を有しているが、この空気層は必須ではなく、封止材１６と波長変換層Ｂとは密着させてもよい。
【００５１】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、蓋体の構成に変更を加えることができる。例えば、図７に示す白色ＬＥＤ素子１０３のように、蓋体１４は、透明板１５の片側に光学フィルタＣと波長変換層Ｂを積層したものであってもよい。一実施形態では、粒子状の蛍光体を分散したガラスで形成した板材、あるいは、蛍光体相を含むセラミック板を、波長変換層として用いることができるが、その場合の蓋体は、波長変換層と光学フィルタのみからなる積層体とすることができる。
【００５２】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、波長変換層を蓋体に設ける代わりに、ＬＥＤチップを覆う被覆層の一部を波長変換層とすることができる。このように構成した白色ＬＥＤ素子の断面構造例を図９に示す。図９（ａ）の白色ＬＥＤ素子１０５では、ＬＥＤチップＡを収容する凹所が封止材１６で充填されており、その上を波長変換層Ｂが覆っている。図９（ｂ）の白色ＬＥＤ素子１０６では、反射リング１２全体を封止材１６が覆っており、その上に波長変換層Ｂが積層されている。この実施形態で用いられる波長変換層は、例えば、ＬＥＤチップの封止に適した透明樹脂に粒子状の蛍光体を分散させてなる蛍光体組成物を用いて形成される。
【００５３】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、反射リング１２に代えて、図８に上面図を示す複合反射リング１７を用いることができる。この複合反射リング１７は、それぞれが傾斜した内壁を有する４つの貫通孔１７ａが設けられた板状部材である。図９は、反射リング１２に代えて、この複合反射リング１７を用いた白色ＬＥＤ素子１０４の断面図であり、複合反射リング１７に設けられた貫通孔１７ａの内壁が、ＬＥＤチップＡを収容する凹所の側面となっている。
【００５４】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子に、光学フィルタＣから光取り出し側に放出される光の配光を制御するための構造を設けることができる。例えば、蓋体１４の上面に、光を拡散させるための構造として、透明媒体中に光拡散材を分散させてなる光拡散層や、透明板の表面に光拡散作用を有する凹凸構造を形成した光拡散板を、設けることができる。蓋体１４の上面には、また、目的に応じて様々なレンズを取り付けることが可能である。
【００５５】
（付記）
その他、下記の半導体発光素子を開示する。
（ア）それぞれが第１波長を有する１次光を放出する複数の発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高
い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の凹所が設けられ、前記複数の発光ダイオードチップは該凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記凹所のそれぞれは、当該凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【００５６】
上記（ア）の半導体発光素子においては、上記（２）の半導体発光素子と同様に、凹所から放出される１次光が、光取り出し方向への指向性の強い光となるので、波長変換層の前面近傍の領域に位置する蛍光体の利用効率が高くなり、その結果、波長変換層から前側に放出される２次光の量が増加する。
【００５７】
本発明は、本明細書に明示的に記載された実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ａ 発光ダイオードチップ
Ｂ 波長変換層
Ｃ 光学フィルタ
Ｄ 第１凹所
Ｄ１ 側面
１１ 回路基板
１２ 反射リング
１３ 枠体
１４ 蓋体
１５ 透明板
１６ 封止材
１７ 複合反射リング
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 白色ＬＥＤ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが放出する光を波長変換する蛍光体とを備えてなる、蛍光体変換型の半導体発光素子に関し、とりわけ、蛍光体による波長変換の効率を高めるために光学フィルタを用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）が放出する光を蛍光体で波長変換する技術が開発されたことにより、白色光を放出する半導体発光素子（いわゆる白色ＬＥＤ素子）が実現されている。白色ＬＥＤ素子は、一般照明や高画質／大画面ＬＣＤ用バックライトなどにも使われ始めているところ、これらの用途では大出力が要求されることから、最近ではひとつの素子に複数のＬＥＤチップを搭載したマルチチップ型の白色ＬＥＤ素子（特許文献１）を用いることが一般的となっている。
【０００３】
視感度の低い紫外光や紫色光を放出するＬＥＤチップを用いた蛍光体変換型の白色ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップが放出する光を蛍光体によって無駄なく可視光に変換することが、発光効率を高めるうえで重要である。そのために、蛍光体を含有する波長変換層の光取り出し側に、ＬＥＤチップの放出する１次光を反射し、波長変換層で生じる２次光を透過する光学フィルタ（ブラッグ反射鏡、ロングパス・フィルタ、バンドパス・フィルタなど）を設けて、波長変換層を透過して漏洩した１次光を反射させて波長変換層に再び戻すようにした構造が提案されている（特許文献２〜４）。特許文献２には、マルチチップ型の白色ＬＥＤ素子に、かかる構造を適用した例も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９５８９２号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５５１９号公報
【特許文献３】特開２００５−２９４２８８号公報
【特許文献４】特表２００６−５１８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２〜４においては、波長変換層の光取り出し側に光学フィルタを配置した白色ＬＥＤ素子における蛍光体の利用効率の向上について、十分な検討がなされているとはいえない。また、かかる白色ＬＥＤ素子をマルチチップ型とした場合に特有の問題点が検討されていない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、蛍光体を含有する波長変換層の光取り出し側に光学フィルタを配置した半導体発光素子を改良し、大出力が要求される用途に適した、良好な発光効率を有する蛍光体変換型の半導体発光素子を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
波長変換層に含まれる蛍光体の利用効率を高めるには、波長変換層を１次光が透過し易くなるようにすることが、本質的に重要である。また、光学フィルタはその構造上、反射／透過特性の入射角依存性が大きいという性質を持つので、光学フィルタを用いて波長変換層を透過した１次光を選択性よく反射させるには、光学フィルタに入射する１次光が垂直入射成分を多く含むようにする必要がある。本発明はこのような認識に基づきなされた
ものであり、具体的には次に掲げる半導体発光素子を提供するものである。
【０００８】
（１）第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部が、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射することを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の第１凹所を有し、前記発光ダイオードチップが該第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記第１凹所のそれぞれは、当該第１凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする前記（１）記載の半導体発光素子。
【０００９】
上記（１）および（２）の半導体発光素子において奏される作用を、以下に、図面を援用しつつ説明する。なお、本明細書では、便宜上、波長変換層から見て発光ダイオードが配置された側を後側、光学フィルタが配置された側を前側と呼び、また、波長変換層の後側の表面を後面、前側の表面を前面と呼ぶことにする。
【００１０】
図１（ａ）は、本発明に係る上記（１）の半導体発光素子に含まれる波長変換層のみを抜き出して示す断面図である。波長変換層Ｂは、透明な分散媒体Ｍと、その内部に分散された粒子状の蛍光体Ｐとから構成されており、その厚さおよび蛍光体の分散密度は、図１（ａ）に示すように、後側から波長変換層Ｂに入射する１次光Ｌ１の一部が、蛍光体Ｐに吸収されることなく前側に通り抜け可能となるように設定されている（発光ダイオードチップから放出される１次光の一部が、完全に拡散されることなく波長変換層を透過して、光学フィルタに入射可能となるために必要な構成である）。従って、波長変換層Ｂ内に存在する蛍光体粒子の全て、即ち、後面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ１、後面と前面の中間付近の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ２および前面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子Ｐ３の全てが、後側から波長変換層Ｂに入射する１次光の照射を受けて、波長変換による２次光の生成に寄与することになる。
【００１１】
また、後側から入射する１次光の一部が完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能な波長変換層においては、その内部を伝播する２次光が蛍光体粒子により受ける反射、散乱、屈折なども抑制されている。その結果として、図１（ａ）に模式的に示すように、波長変換層Ｂ内に存在する全ての蛍光体粒子、即ち、蛍光体粒子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３を含む全ての蛍光体粒子から放出される２次光が、波長変換層Ｂの前面から効率よく取り出される。
【００１２】
一方、図１（ｂ）は、対比のために、蛍光体の分散密度が高く、後側から入射する１次光の全てが前面に達する前に完全に拡散される波長変換層を示している。このような波長変換層においては、次の理由から蛍光体の利用効率が著しく低くなる。まず、波長変換層ｂ内に存在する蛍光体粒子のうち、後面近傍の領域に含まれる粒子ｐ１には１次光ｌ１が照射されるものの、この粒子から放出される２次光ｌ２は他の蛍光体粒子に遮蔽されるために、波長変換層ｂの前面に達しない。また、波長変換層ｂの前面近傍の領域に含まれる蛍光体粒子ｐ２は、１次光ｌ１の照射を殆ど受けることができないので、実質的に２次光の生成に寄与しない。
【００１３】
以上の説明から、発光ダイオードチップが放出する１次光の一部が、完全に拡散される
ことなく光学フィルタに入射するよう構成された上記（１）の半導体発光素子において、蛍光体の利用効率が高くなることが理解されよう。また、このような作用効果は、透明な分散媒体中に粒子状の蛍光体Ｐが分散された波長変換層の場合に限らず生じるものであることは、当業者であれば理解されよう。注意すべきは、上記（１）の半導体発光素子では、波長変換層を透過した１次光を光学フィルタにより反射させて波長変換層に再び戻すことによって、１次光の利用効率をも高めている点である。この構成を伴わず、単に波長変換層を１次光が透過し易くなるようにしただけでは、たとえ蛍光体の利用効率が高くなっても、１次光の利用効率が低いので、トータルでの効率向上は望めない。
【００１４】
次に、上記（２）の半導体発光素子において奏される作用を説明する。
【００１５】
図２は、本発明に係る上記（２）の半導体発光素子の断面構造を示す模式図であり、基本構成として、発光ダイオードチップＡと、波長変換層Ｂと、光学フィルタＣとを、発光素子の光取り出し方向に向かってこの順に備えている。波長変換層Ｂの後側には、光取り出し方向に開口する第１凹所Ｄが複数設けられており、発光ダイオードチップＡはこの第１凹所Ｄのそれぞれにひとつずつ収容されている。発光ダイオードチップＡを取り囲む第１凹所の側面Ｄ１は、発光ダイオードチップＡが放出する１次光を光取り出し方向に導く反射面を備えている。
【００１６】
発光ダイオードチップＡを第１凹所Ｄのそれぞれにひとつずつ収容することにより、第１凹所Ｄから放出される１次光は、光取り出し方向への指向性の強いものとなる。なぜなら、図３に示すように、発光ダイオードチップＡが放出する１次光Ｌ１（一部の成分のみを図示している）が、他の発光ダイオードチップに干渉されることなく、第１凹所の側面Ｄ１に設けられた反射面の作用によって効果的に光取り出し方向に導かれるからである。それに対して、複数の発光ダイオードチップを１つの凹所に収容した場合には、図４に示すように、ある発光ダイオードチップａ１が放出する１次光ｌ１を、同じ凹所内に収容された他の発光ダイオードチップａ２が散乱させるので、凹所から放出される１次光の指向性は弱くなる。
【００１７】
第１凹所を波長変換層の外部に設けることは、発光ダイオードチップが放出する１次光が蛍光体による干渉を受けることなく、第１凹所の側面Ｄ１が備える反射面によって効果的に光取り出し方向に導かれるようにするうえで、必要な構成である。
【００１８】
第１凹所から放出される１次光を、光取り出し方向への指向性の強い光とすることによって、波長変換層の前面近傍の領域に含まれる蛍光体の利用効率が高くなり、その結果、波長変換層から前側に放出される２次光の量が増加する。その理由を簡単にいえば、光取り出し方向に進む成分は波長変換層を最短距離で横切ることから波長変換層内で減衰し難く、それ故に、この成分が増加するように１次光の指向性を強めると、波長変換層の前面近傍の領域に達する１次光の量が増加するからである。
【００１９】
また、光取り出し方向に進む光は波長変換層内で拡散され難く（上記の通り、波長変換層を最短距離で横断するので）、加えて、上記（２）の半導体発光素子においては、後側から波長変換層に入射する１次光の一部が完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能であることから、第１凹所から放出される１次光の光取り出し方向への指向性を強めることによって、光学フィルタに入射する１次光中の垂直入射成分は確実に増加する。この成分は光学フィルタにより選択性よく反射されて波長変換層に戻されるので、蛍光体による波長変換の効率が向上することになる。
【００２０】
以上の説明から、複数の発光ダイオードチップを第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容するように構成した上記（２）の半導体発光素子において、蛍光体による波長変換の効率
が高くなることが理解されよう。
【００２１】
上記（２）の半導体発光素子において、第１凹所の側面が備える反射面の反射特性に限定はないが、好ましくは、反射光の指向性を強くするために、この反射面は鏡面反射の割合が強い反射面とする。
【００２２】
上記（１）または（２）の半導体発光素子は、白色発光素子であってもよく、更に、照明に使用できる色温度２５００Ｋ〜７０００Ｋの白色光を放出する白色発光素子であってもよい。
【００２３】
上記（１）または（２）の半導体発光素子は、１次光の発生源に青色発光ダイオードチップを用いた電球色の白色発光素子であってもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、大出力が要求される用途に適した、良好な発光効率を有する蛍光体変換型の半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である（ただし、図１（ｂ）は比較例を示している）。
【図２】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子の作用を説明するための図面である（ただし、比較例を示している）。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図面であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図８】複合反射リングの構造を示す平面図である。
【図９】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る半導体発光素子において、１次光の発生源に用いるＬＥＤチップに限定はなく、紫外ＬＥＤチップ、紫色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、黄色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップなど、種々のＬＥＤチップを用いることができる。紫外ＬＥＤチップ、紫色ＬＥＤチップおよび青色ＬＥＤチップに関していえば、窒化ガリウム系半導体、酸化亜鉛系半導体、炭化ケイ素系半導体などで構成されたｐｎ接合型の発光構造を備えるものを好ましく用いることができる。
【００２７】
本発明に係る半導体発光素子において、波長変換層に使用する蛍光体の種類に限定はなく、例えば、公知の白色ＬＥＤで使用されている全ての蛍光体が使用可能である。蛍光体の形態も、本発明の目的が達成される限りにおいて、何ら限定されるものではない。パウダーとして供される粒子状の蛍光体は、ポリマー、ガラスなどからなる透明な分散媒体中に分散させる、あるいは、適宜な部材の表面に電着などの方法で堆積させる等、常法に従って固定化することにより、好ましく使用することができる。蛍光体相を含有する発光セラミックからなる薄板状の蛍光体も使用可能である。
【００２８】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る白色ＬＥＤ素子の構造を図５に示す。図５（ａ）は平面図、
図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。この白色ＬＥＤ素子１００は、回路基板１１と、その表面に固定された４個のＬＥＤチップＡと、それぞれが１個のＬＥＤチップＡを取り囲むように回路基板１１上に固定された４個の反射リング１２と、４個の反射リング１２を一括して取り囲むように回路基板１１上に固定された枠体１３とを有している。枠体１３の開口部は蓋体１４により塞がれている。蓋体１４は、波長変換層Ｂと、透明板１５と、光学フィルタＣとから構成されている。なお、図５（ａ）では、見易さのために蓋体１４の図示を省略している。白色ＬＥＤ素子１００において、各ＬＥＤチップＡは、回路基板１１と反射リング１２により形成された凹所、すなわち、底面が回路基板１１の上面であり、側面が反射リング１２の内壁である凹所に収容されている。この凹所は、上記（２）の半導体発光素子にいう第１凹所に該当する。白色ＬＥＤ素子１００の光取り出し方向は、図５（ｂ）中に白い矢印で示す方向である。この方向は、波長変換層Ｂおよび光学フィルタＣの厚さ方向に平行である。
【００２９】
次に、白色ＬＥＤ素子１００の各部の構成を詳しく説明する。
【００３０】
回路基板１１は、詳細な図示を省略しているが、絶縁基板とその表面に形成された配線層とからなる、いわゆるプリント配線板（printed wiring board）である。絶縁基板としては、アルミニウム基板、銅基板などの金属ベース基板、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板などのセラミック基板、ガラス基板が例示される。好ましい絶縁基板は、良好な熱伝導性を有する、金属ベース基板およびセラミック基板である。セラミック基板、ガラスエポキシ基板など、絶縁性のベースを有する絶縁基板を用いた回路基板では、絶縁基板に設けられたスルーホールを通して配線層と接続された端子電極を裏面側に設けることができる。配線層のパターン（回路パターン）は、ＬＥＤチップＡの電極構造、ＬＥＤチップＡ同士の間の接続の仕方、ＬＥＤチップＡへの電力の供給の方法、ＬＥＤチップＡの制御方法などに応じて、適宜公知技術を参照して設計することができる。
【００３１】
ＬＥＤチップＡは公知の紫色ＬＥＤチップ（発光ピーク波長４００〜４２０ｎｍ）であり、典型的には、サファイア基板またはＧａＮ基板上に、エピタキシャル成長技術を用いてＡｌＧａＩｎＮ系結晶からなる発光構造を形成したものである。好ましい発光構造は、ＩｎＧａＮ井戸層を含むＭＱＷ活性層をｎ型およびｐ型のＡｌＧａＮクラッド層で挟んだ、ダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造である。ＬＥＤチップＡの実装形態は特に限定されるものではなく、ＬＥＤチップＡの構造に応じて公知の実装形態から適宜選択することができる。
【００３２】
反射リング１２は金属、セラミック、樹脂などを用いて形成されており、その内壁にはＬＥＤチップＡから放出される１次光を反射可能な反射面が設けられている。ＬＥＤチップＡから放出される１次光を光取り出し方向に導くことができるよう、この内壁は上方に向かって面積が広くなるように傾斜している。
【００３３】
反射リング１２の内壁に設けられる反射面は、拡散反射が強い反射面、鏡面反射が強い反射面、拡散反射と鏡面反射の強さが同程度の反射面の、いずれであってもよい。好ましくは、反射光の光取り出し方向への指向性が強くなることから、鏡面反射が強い反射面である。反射面の好ましい材料は、金属、白色セラミックまたは白色樹脂である。金属で形成される反射面を酸化や腐食から護るための保護膜は任意に設けることができる。好ましい金属は、紫外〜可視にかけての波長域において高い反射率を有する、銀、アルミニウム、ロジウム、白金などである。金属からなる反射面は、乾式メッキまたは湿式メッキにより形成することができる。反射リング１２全体を白色セラミック、白色樹脂などの白色材料で形成する場合には、内壁を平滑にすることによって、好ましい反射面とすることができる。白色セラミックの好適例はアルミナであり、白色樹脂の好適例は、ジルコニア、チタニア、アルミナ、マグネシア、酸化亜鉛、炭酸カルシウムなどの白色顔料を添加したシ
リコーン樹脂である。
【００３４】
反射リング１２の内壁に設けられる反射面によって、ＬＥＤチップＡから放出される１次光が効率よく光取り出し方向に導かれるように、反射リング１２の上端は、回路基板１１上に固定されたＬＥＤチップＡの上面よりも高くする。ＬＥＤチップＡと反射リング１２との間の距離にもよるが、反射リング１２の上端はＬＥＤチップＡの上面よりも０．１ｍｍ以上高いことが好ましく、０．２ｍｍ以上高いことがより好ましい。
【００３５】
枠体１３は、蓋体１４を支持するための部材であり、セラミック、樹脂、金属など、適宜な構造材料を用いて形成される。
【００３６】
蓋体１４は、中央に透明板１５、その片側に波長変換層Ｂ、その反対側に光学フィルタＣを有する、積層体である。透明板１５は、波長変換層Ｂおよび光学フィルタＣの支持体である。透明板１５としては、サファイア、石英ガラス、多成分系ガラスなどからなる透明基板や、ポリエーテルサルフォン、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアリレートなどのポリマー材料からなる、透明フィルム基板を、好ましく用いることができる。
【００３７】
波長変換層Ｂは、シリコーン、エポキシ、アクリレート、ポリカーボネートなどをベースとする透明性の高いマトリックス樹脂中に、粒子状の蛍光体を分散させた組成物で形成されている。白色ＬＥＤ素子１００の演色性を高くするには、波長変換層Ｂに青色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を添加する。白色ＬＥＤ素子１００の輝度を高くするには、この緑色蛍光体と赤色蛍光体のいずれか、または両方に、発光スペクトルが波長５５０ｎｍ付近の成分を豊富に含むものを選択して用いればよい。白色ＬＥＤ素子１００の輝度を高くするには、波長変換層Ｂに青色蛍光体および黄色蛍光体を添加してもよい。赤色蛍光体や黄色蛍光体には、ＬＥＤチップＡが放出する１次光によって殆ど励起されず、青色蛍光体が放出する青色光（２次光）で励起されて発光するものを用いることもできる。波長変換層Ｂに添加する各蛍光体の量は、目的とする白色ＬＥＤ素子の色温度に応じて適宜設定する。
【００３８】
波長変換層Ｂに添加して用いることができる蛍光体の具体例を以下に挙げる。
【００３９】
青色蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕなどがある。
【００４０】
緑色蛍光体としては、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｅｕ付活βサイアロン、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ、Ｃａ３（ＳｃＭｇ）５Ｏ１２：Ｃｅ、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎなどがある。
【００４１】
黄色蛍光体としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ、Ｌａ３Ｓｉ６Ｎ１１：Ｃｅなどがある。
【００４２】
赤色蛍光体としては、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）２ （Ｓｉ，Ａｌ）５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉ
（Ｎ，Ｏ）３ ：Ｅｕ、Ｅｕ付活αサイアロン、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）３ＳｉＯ５：Ｅｕ
、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ、Ｋ２ＴｉＦ６：Ｍｎなどがある。
【００４３】
波長変換層Ｂに添加する蛍光体の総量は、後側から波長変換層に入射する１次光の一部が、当該層内で完全に拡散されることなく前側に通り抜け可能となるように、当該層の厚さに応じて決定する。後側から波長変換層Ｂに入射する１次光の一部が、当該層内で完全
に拡散されることなく前側に通り抜け可能であるか否かを判断するには、非点灯状態の白色ＬＥＤ素子１００を直上の方向から光学的手段（例えば、光学顕微鏡）を用いて観察したとき、波長変換層Ｂを通してＬＥＤチップＡの外郭形状、反射リングＡの外郭形状、回路基板１１の表面に形成された回路パターンなどを視認できるか否かを調べればよい。これらのいずれかが視認可能であるとき、波長変換層Ｂ内の後側に存在する物体の形状に関する光学的情報が波長変換層Ｂを通して光学フィルタＣ側に伝達されているということであるから、１次光が後側から波長変換層Ｂに入射した場合においても、その一部は完全に拡散されることなく波長変換層Ｂを透過して光学フィルタＣに入射すると判断できる。この判断において、光学的観察に用いる可視光の波長はＬＥＤチップＡの発光波長と同一とすることが望ましいが、異なる波長であっても、その差が数百ｎｍ以内であれば構わない。
【００４４】
光学フィルタＣは、透明板１５の片側に、屈折率の異なる２種類の透明薄膜を交互に積層することにより形成することができる。ＬＥＤチップＡが放出する光を選択的に反射するブラッグ反射鏡型の光学フィルタであれば、ＬＥＤチップＡが放出する光の空気中における波長をλ、薄膜の屈折率をｎとした場合に、膜厚をそれぞれλ／（４ｎ）とした２種類の薄膜を交互に積層することにより形成することができる。この場合、２種類の薄膜は、屈折率の差が大きいことが望ましく、典型例としては、二酸化ケイ素薄膜と二酸化チタン薄膜の組合せが挙げられる。積層数を多くすると反射率は高くなるが、膜厚の増加により透過率が低くなる傾向があるので、積層数は透過率が低くなり過ぎない範囲で設定することが好ましい。
【００４５】
特許文献３には、波長約４２０〜７００ｎｍの光に対する透過率が９５％以上、波長約４１０ｎｍ以下の光に対する反射率が略１００％である光学フィルタを、二酸化ケイ素薄膜と二酸化チタン薄膜を積層して形成した例が開示されており、好ましく参照することができる。
【００４６】
光学フィルタＣはポリマー多層光学フィルタであってもよい。ポリマー多層光学フィルタは、貼り合わせによって透明板と複合化することができる。ポリマー多層光学フィルタの具体的な構造および製造方法については、特許文献４を好ましく参照することができる。
【００４７】
回路基板１０上には、反射リング１２の外側であれば、ＬＥＤチップＡ以外の任意の半導体チップを搭載してもよい。例えば、白色ＬＥＤ素子の色調を修正するための可視発光ＬＥＤチップ、ＬＥＤチップＡを静電気破壊から保護するためのツェナーダイオードチップ、白色ＬＥＤ素子の発光状態をモニターするためのフォトダイオードチップなどである。
【００４８】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る白色ＬＥＤ素子は、実施形態１の白色ＬＥＤ素子におけるＬＥＤチップＡを、紫色ＬＥＤチップから青色ＬＥＤチップに置き換えること以外は実施形態１と同様に構成される白色ＬＥＤ素子である。この実施形態２では、光学フィルタの波長選択性の強弱を変えることにより、光学フィルタから光取り出し方向に漏洩する青色光の量が変わるので、それによって白色光の色度調整を行うことができる。光学フィルタの波長選択性の強弱は、光学フィルタを構成する誘電体薄膜の積層数などをパラメータとして制御することが可能である。
【００４９】
実施形態２に係る白色ＬＥＤ素子は、波長変換層に、黄色蛍光体および緑色蛍光体の少なくとも一方と、赤色蛍光体とを添加することによって、電球色の白色発光素子とすることができる。この電球色白色発光素子では、ＬＥＤチップが放出する青色光の大部分を蛍
光体によって長波長の赤色光に変換する必要があるので、本発明の効果が顕著に現れる。
【００５０】
（変形実施形態）
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、ＬＥＤチップＡの封止を行うことができる。封止材には、ＬＥＤチップの封止に適した公知の樹脂を制限なく用いることができる。特に好ましい封止材は、耐光性の高いジメチルシリコーン系の樹脂である。封止材に光拡散性を有する添加物を加えることは、１次光の光取り出し方向への指向性を低下させるので、避けるべきである。図６（ａ）に示す白色ＬＥＤ素子１０１では、ＬＥＤチップＡが収容された凹所内に封止材１６を充填している。この例において、封止材１６の内部から光取り出し方向に１次光が脱出し易くなるように、封止材１６の表面を凸面状に成形することができる。図６（ｂ）に示す白色ＬＥＤ素子１０２では、ＬＥＤチップＡだけでなく反射リング１２全体を封止材１６で覆っている。白色ＬＥＤ素子１０１、１０２は、封止材１６と波長変換層Ｂとの間に空気層を有しているが、この空気層は必須ではなく、封止材１６と波長変換層Ｂとは密着させてもよい。
【００５１】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、蓋体の構成に変更を加えることができる。例えば、図７に示す白色ＬＥＤ素子１０３のように、蓋体１４は、透明板１５の片側に光学フィルタＣと波長変換層Ｂを積層したものであってもよい。一実施形態では、粒子状の蛍光体を分散したガラスで形成した板材、あるいは、蛍光体相を含むセラミック板を、波長変換層として用いることができるが、その場合の蓋体は、波長変換層と光学フィルタのみからなる積層体とすることができる。
【００５２】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、波長変換層を蓋体に設ける代わりに、ＬＥＤチップを覆う被覆層の一部を波長変換層とすることができる。このように構成した白色ＬＥＤ素子の断面構造例を図９に示す。図９（ａ）の白色ＬＥＤ素子１０５では、ＬＥＤチップＡを収容する凹所が封止材１６で充填されており、その上を波長変換層Ｂが覆っている。図９（ｂ）の白色ＬＥＤ素子１０６では、反射リング１２全体を封止材１６が覆っており、その上に波長変換層Ｂが積層されている。この実施形態で用いられる波長変換層は、例えば、ＬＥＤチップの封止に適した透明樹脂に粒子状の蛍光体を分散させてなる蛍光体組成物を用いて形成される。
【００５３】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子において、反射リング１２に代えて、図８に上面図を示す複合反射リング１７を用いることができる。この複合反射リング１７は、それぞれが傾斜した内壁を有する４つの貫通孔１７ａが設けられた板状部材である。図９は、反射リング１２に代えて、この複合反射リング１７を用いた白色ＬＥＤ素子１０４の断面図であり、複合反射リング１７に設けられた貫通孔１７ａの内壁が、ＬＥＤチップＡを収容する凹所の側面となっている。
【００５４】
上記の各実施形態に係る白色ＬＥＤ素子に、光学フィルタＣから光取り出し側に放出される光の配光を制御するための構造を設けることができる。例えば、蓋体１４の上面に、光を拡散させるための構造として、透明媒体中に光拡散材を分散させてなる光拡散層や、透明板の表面に光拡散作用を有する凹凸構造を形成した光拡散板を、設けることができる。蓋体１４の上面には、また、目的に応じて様々なレンズを取り付けることが可能である。
【００５５】
（付記）
その他、下記の半導体発光素子を開示する。
（ア）それぞれが第１波長を有する１次光を放出する複数の発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高
い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の凹所が設けられ、前記複数の発光ダイオードチップは該凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記凹所のそれぞれは、当該凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【００５６】
上記（ア）の半導体発光素子においては、上記（２）の半導体発光素子と同様に、凹所から放出される１次光が、光取り出し方向への指向性の強い光となるので、波長変換層の前面近傍の領域に位置する蛍光体の利用効率が高くなり、その結果、波長変換層から前側に放出される２次光の量が増加する。
【００５７】
本発明は、本明細書に明示的に記載された実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ａ 発光ダイオードチップ
Ｂ 波長変換層
Ｃ 光学フィルタ
Ｄ 第１凹所
Ｄ１ 側面
１１ 回路基板
１２ 反射リング
１３ 枠体
１４ 蓋体
１５ 透明板
１６ 封止材
１７ 複合反射リング
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 白色ＬＥＤ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部が、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の第１凹所を有し、前記発光ダイオードチップが該第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記第１凹所のそれぞれは、当該第１凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記反射面として、鏡面反射の割合が強い反射面を備える、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
照明に使用できる色温度２５００Ｋ〜７０００Ｋの白色光を放出する白色発光素子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光ダイオードチップとして青色発光ダイオードチップを有し、電球色白色光を放出する白色発光素子である、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
それぞれが第１波長を有する１次光を放出する複数の発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の凹所が設けられ、前記複数の発光ダイオードチップは該凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記凹所のそれぞれは、当該凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１】
第１波長を有する１次光を放出する発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記第１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記発光ダイオードチップが放出する前記１次光の一部が、完全に拡散されることなく前記光学フィルタに入射することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の第１凹所を有し、前記発光ダイオードチップが該第１凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記第１凹所のそれぞれは、当該第１凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記反射面として、鏡面反射の割合が強い反射面を備える、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
照明に使用できる色温度２５００Ｋ〜７０００Ｋの白色光を放出する白色発光素子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光ダイオードチップとして青色発光ダイオードチップを有し、電球色白色光を放出する白色発光素子である、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
それぞれが第１波長を有する１次光を放出する複数の発光ダイオードチップと、前記１次光を吸収して前記第１波長とは異なる第２波長を有する２次光を放出する蛍光体を含有する波長変換層と、前記１次光に対する反射率が前記２次光に対する反射率よりも高い光学フィルタとを、光取り出し方向に向かってこの順に備え、
前記波長変換層の外部に、それぞれが前記光取り出し方向に開口する複数の凹所が設けられ、前記複数の発光ダイオードチップは該凹所のそれぞれにひとつずつ収容されており、
前記凹所のそれぞれは、当該凹所に収容された前記発光ダイオードチップを取り囲み、この発光ダイオードチップが放出する前記１次光を前記光取り出し方向に導く反射面を備える、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１９８８００（Ｐ２０１１−１９８８００Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０６７５（Ｐ２０１０−６０６７５）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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