半導体発光装置
【課題】大型化を招来することなく、照射面における色むらを効果的に低減できる半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】可視域にピーク波長を有する1次光として青色光を出射する半導体発光素子である青色LED18と、青色LED18から入射された青色光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光として黄色光に変換し、当該黄色光を波長変換されなかった青色光と共に出射する波長変換部材である蛍光体プレート30とを有し、蛍光体プレート30は、青色LED18の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部39と、本体部39の光出射側に複数個突出形成された柱状の突起44からなる出射部42とを備える。
【解決手段】可視域にピーク波長を有する1次光として青色光を出射する半導体発光素子である青色LED18と、青色LED18から入射された青色光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光として黄色光に変換し、当該黄色光を波長変換されなかった青色光と共に出射する波長変換部材である蛍光体プレート30とを有し、蛍光体プレート30は、青色LED18の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部39と、本体部39の光出射側に複数個突出形成された柱状の突起44からなる出射部42とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、半導体発光素子と、当該半導体発光素子から出射される1次光をこれとは波長の異なる2次光に変換する波長変換部材と、を有する半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体発光装置の一種である白色LEDパッケージが、近年、蛍光灯等の従来の照明器具に代替するものとして広く用いられるようになってきている。白色LEDとして、一般的なものは、半導体発光素子の一種である青色LEDと波長変換物質である黄色蛍光体とを組み合わせたものが知られている。当該白色LEDは、青色LEDを励起源とし、黄色蛍光体を青色光(1次光)で発光させ、蛍光体を透過してくる青色光と蛍光体による黄色光(2次光)とを混色して白色光を生成するものである。
【0003】
例えば、特許文献1には、青色LEDチップと、合成樹脂に黄色蛍光体粒子が分散されてなる蛍光体プレートとを有するLEDパッケージが開示されている。
また、特許文献2,3には、蛍光体プレート自身が発光セラミックスの焼結体からなるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−347061号公報
【特許文献2】特開2006−49410号公報
【特許文献3】特開2007−150331号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の白色LEDパッケージでは、照射面に色むらが生じるといった問題が発生している。このことについて、図11を参照しながら説明する。
図11は、従来の白色LEDパッケージ200における青色LEDチップ202と蛍光体プレート204のみを描いた概念図である。
【0006】
青色LEDチップ202から出射された青色光は、蛍光体プレート204を通過する間に、その一部が黄色光に波長変換される。この場合、蛍光体プレート204を通過する距離が長いほど青色光は黄色光に変換される割合が高くなる。このため、蛍光体プレート204に垂直に入射した青色光よりも斜めに入射した青色光の方が、黄色光に変換される割合が高くなる。
【0007】
この結果、青色LEDチップ202の出射面の正面前方の照射面では青味が強く、斜め前方では黄味が強いといったように色むらが生じる。
特許文献1の蛍光体プレート204を用いると、合成樹脂に練りこまれた蛍光体粒子が散乱材として機能し、当該蛍光体プレート内において、青色光と黄色光とが若干は混色されることとなり、上記した照射面における色むらはある程度緩和される。
【0008】
ところが、特許文献2,3の蛍光体プレートでは、このような散乱作用がほとんど発揮されないため、特に、照射面のおける色むらが大きくなっている。
この問題に対処するためには、青色LEDチップと蛍光体プレートの間の距離を大きくとり、蛍光体プレートの入射面における中央部とその周辺部との青色光の入射角度の差を少なくすることが考えられるが、パッケージの大型化を招来するため好ましくない。
【0009】
本発明は、上記した課題に鑑み、大型化を招来することなく、照射面における色むらを効果的に低減できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体発光装置は、可視域にピーク波長を有する1次光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子から入射された1次光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光に変換し、当該2次光を波長変換されなかった1次光と共に出射する波長変換部材とを有し、前記波長変換部材は、前記半導体発光素子の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部と、当該本体部の光出射側に複数個突出形成された柱状の突起からなる出射部とを備えることを特徴とする。
【0011】
また、前記突起の先端径が1[μm]以上、100[μm]以下の範囲にあり、前記突起の長さが前記先端径の3倍以上、20倍以下の範囲にあることを特徴とする。さらに、前記突起の先端径が3[μm]以上、30[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。また、さらに前記突起の先端径が5[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。
【0012】
また、前記突起の長さが前記先端径の5倍以上、10倍以下の範囲にあることを特徴とする。
また、前記突起各々の隣接する突起との間隔が1[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。さらに、前記突起各々の隣接する突起との間隔が3[μm]以上、8[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。
【0013】
また、前記波長変換部材が、セラミックス材料、複合ガラス材料、結晶化ガラス材料、酸化物単結晶材料のいずれか一つからなることを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の光射出面と前記波長変換部材の光入射面とが密接させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
上記構成からなる半導体発光装置によれば、出射部を構成する各突起において突出基端部から入射された1次光および2次光は、当該突起内で反射を繰り返しながら導波された後、その先端から出射されることとなるため、当該先端からは放射状に広がって1次光および2次光が射出されることとなる。よって、個々の突起間では1次光と2次光の割合が異なっていたとしても、照射面においては、各突起先端から出射された1次および2次光同士が混色されることとなるので、当該照射面における色むらが低減される。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】(a)は、実施の形態1に係る表面実装型LEDパッケージの平面図であり、(b)は、(a)におけるA・A線断面図である。
【図2】(a)は、蛍光体プレートの平面図であり、(b)は、図1(b)におけるB部詳細図である。
【図3】(a)は、光導波部の機能を説明するための図であり、(b)は、光導波部の寸法関係を説明するための図である。
【図4】上記表面実装型LEDパッケージにおける色むら抑制効果について説明するための図である。
【図5】実施の形態2に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図6】実施の形態3に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図7】実施の形態4に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図8】(a)は、実施の形態5に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図であり、(b)は、実施の形態5の変形例に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図9】実施の形態6に係る表面実装型LEDパッケージにおける一の白色LEDの概略構成を示す断面図である。
【図10】光導波部の変形例を表した図である。
【図11】従来技術を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明に係る半導体発光装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
<実施の形態1>
図1は、本発明に係る半導体発光装置の実施の形態の一例として示す、表面実装型白色LEDパッケージ2(以下、単に「LEDパッケージ2」と言う。)の概略構成を表した図である。図1(a)は、LEDパッケージ2の平面図を、図1(b)は、(a)におけるA・A線断面図をそれぞれ示している。なお、図1を含む全ての図において各部材間の縮尺は統一していない。
【0017】
LEDパッケージ2は、半導体発光素子の搭載基台となる窒化アルミ(AlN)からなる絶縁基板4に配線パターン(図1では不図示)が印刷されてなるプリント配線板6を有する。絶縁基板4の縦×横×厚みの大きさは、30[mm]×50[mm]×1.5[mm]である。
【0018】
プリント配線板6上には、複数個(本例では、5個)の白色LED8が設けられている。これらの白色LED8は、前記配線パターンによって直列に接続されている。当該直列接続における高電位側末端の白色LED8のp側電極は、配線パターンの一部を介してアノード端子10に電気的に接続されており、低電位側末端の白色LED8のn側電極は配線パターンの一部を介して、カソード端子12に接続されている。
【0019】
白色LED8の各々には、半球状をしたガラスカバー14が被せられている。
図1(b)におけるB部の詳細を図2(b)に示す。図2(a)に、後述する蛍光体プレート30の平面図を示す。
【0020】
図2(b)に示すように、絶縁基板4上に形成されたTi/Pt/Auからなる配線パターン16に、半導体発光素子であるGaN系の青色LED18が、AuSnからなる共晶接合層(不図示)を介して接合されている。
【0021】
青色LED18は、絶縁基板4側から、Ag/Pt/Au膜からなるp側電極(不図示)、p−GaN系半導体層20、InGaN系量子井戸発光層22、n−GaN系半導体層24、およびTi/Pt/Au膜からなるn側電極26この順に積層されてなるものである。p−GaN系半導体層20の厚みは200[nm]、n−GaN系半導体層24の厚みは6[μm]であり、青色LED18の平面視でのサイズは1mm角である。n側電極26は、n−GaN系半導体層24の周縁に沿った枠状をしている。なお、p−GaN系半導体層20、発光層22、n−GaN系半導体層24は、不図示のサファイア基板上にエピタキシャル成長により形成されたものが、当該サファイア基板から分離されたものである。
【0022】
発光層22からは、可視域に属する440〜470[nm]のピーク波長を有する青色光が出射される。ここで可視域は、380[nm]以上780[nm]以下の範囲を指す。青色LED18からの光取り出し効率を改善するため、n−GaN系半導体層24の上面(光出射面)は、KOH溶液中で光照射することによって、数μmの凹凸面に形成されている。
【0023】
青色LED18の側面には、窒化珪素からなる無機性の絶縁膜28が形成されている。
絶縁基板4と対向させ、青色LED14の出射光路を跨ぐ状態に、波長変換部材である蛍光体プレート30が配置されている。蛍光体プレート30は、セリウム(Ce)をドープしたYAGセラミックスからなる。蛍光体プレートの屈折率は1.83である。蛍光体プレート30の下面(光入射面)は、サンドブラストにより数μmの凹凸面に形成されている。
【0024】
蛍光体プレート30と青色LED18の隙間を本例のように中空としても、上記したように互いに対向する蛍光体プレート30の下面と青色LED18の光取り出し面に凹凸面を形成することにより、両者の屈折率差による界面での反射を抑制することが可能となり、より多くの青色光を蛍光体プレート30に入射することが可能となる。
【0025】
なお、蛍光体プレートの厚みは賦活剤の濃度及び機械的強度、採用するプロセスに依存し、20[μm]以上、1[mm]以下が好ましい。賦活剤濃度を高くすることで蛍光体プレートを薄くすることが可能になり、より小型、薄型の白色光源を実現することが可能になる。賦活剤濃度を低くすると蛍光体プレートを厚くすることが可能にあり、色むら抑制効果、機械的強度の面で優位になる。本実施の形態や後述の実施の形態6のように蛍光体プレートが青色LEDに支持されるように取り付ける場合は、蛍光体プレートの厚さを20[μm]以上、200[μm]以下の薄いものを採用することが可能となり、蛍光体プレートを搭載基台に取り付ける実施の形態2〜5の形態においては、300[μm]以上、1[mm]以下の厚いものを採用することができる。
【0026】
蛍光体粒子を樹脂やガラスの母材に分散した蛍光体プレートの場合は、蛍光体粒子と母材の屈折率差による界面での散乱により、1次光と2次光が混合される。一方、上述のセラミックス等の波長変換部材においても、散乱等はあるものの、蛍光体粒子を樹脂等に分散したものに比べるとその効果は小さくなる。一般的には、蛍光体プレートを薄くすると光路長が短くなるので、散乱効果はより小さくなる傾向があることから、特に20〜200μmのもの,より好ましくは100μm以下において、本発明の効果を発揮することができる。
【0027】
また、蛍光体プレート30の下面の周縁に沿って枠状をした、Cr/Pt/Au膜からなる金属接続層32が形成されている。
金属接続層32とn側電極26とは、複数個所においてAuバンプ34によって接合されている。また、金属接続層32とTi/Pt/Auからなる配線パターン36とは、複数個所において、Auバンプ38によって接合されている。
【0028】
上記した構成において、配線パターン16と配線パターン36を介して、給電すると、青色LED18は、1次光として青色光を出射する。青色LED18から出射された青色光は、蛍光体プレート30の本体部39にその下面(入射面)40から入射する。蛍光体プレート30は、青色LED18から入射された青色光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光としての黄色光に変換し、当該黄色光を波長変換されなかった青色光と共に、出射部42から出射する。
【0029】
蛍光体プレート30の出射部42は、方形板状をした本体部39の光出射側に突出形成された柱状(図示例では、円柱状)の突起からなる光導波部44を複数個有する。
光導波部44は、図2(a)に示すように、マトリックス状に配列されている。
【0030】
光導波部44の機能について、図3(a)を参照しながら説明する。図3(a)は、光導波部44の拡大断面図である。
光導波部44の中心軸Cに対し斜めに入射した光は、光導波部44と空気層との境界面で反射を繰り返しながら導波した後、その先端面46から出射される。その結果、先端面46からは放射状に光が出射されることとなる。
【0031】
光導波部44の先端面46の各々から光が放射状の出射されることにより、照射面における色むらが低減されるのであるが、このことについて、図4を参照しながら、詳細に説明する。
【0032】
図4は、LEDパッケージ2における青色LED18と蛍光体プレート30のみを描いた概念図である。
青色LED18から蛍光体プレート30にその入射面40から入射された青色光の一部は波長変換されて黄色光になり、当該黄色光と波長変換されなかった青色光とは、光導波部44の各々に分かれて(分割されて)入射する。
【0033】
マトリックス状に配列された光導波部44の各々に入射する光の内、真中に近い光導波部44Aに入射する光ほど、青色光の割合が高くなり、逆に、周縁に近い光導波部44Bに入射する光ほど黄色光の割合が高くなる。この現象は、[発明が解決しようとする課題]の欄で説明したのと同様の理由による生じる。
【0034】
よって、光導波部44Aの先端面からは青味の強い光が射出され、光導波部44Bの先端面からは黄味の強い光が射出されることとなる。(図4において、青味の強い光を実線で、黄味の強い光を破線で表している。)
しかし、上述したように光導波部44の各先端面から出射された光は放射状に広がっていく。その結果、照射面においては、青味の強い光と黄味の強い光とが適度に混色されて白色となり、従来よりも色むらの少ない状態で照射面を照らすことが可能となる。
【0035】
このとき、できるだけ色むらを低減させるためには、光導波部44の各々を独立した光源とみなした場合に、各光源(各光導波部44)の配光曲線の形状が揃っていることが好ましい。
【0036】
このためには、光導波部44内での上記境界面における光の反射回数を多くすれば良く、それには、光導波部44をできるだけ細長くすればよい。
次に、光導波部44の好ましい形状について、図3(b)を参照しながら説明する。
(1)先端径D
上述したように、光導波部44は、できるだけ細いことが好ましい。しかし、あまり細くしすぎると、光が回折によって光導波部44の先端面46から後方に回り込み易くなり、これが新たな色むらの原因となってしまう。そこで、可視光の波長域である380〜780[nm]を考慮すると、光導波部44の先端部(先端面46)の径Dは1[μm]以上が好ましい。さらに、長波長の光を取り扱う場合、先端径Dは、3[μm]以上が好ましい。また、可視光の内、最も長波長である780[nm]の光を取り扱う場合は、5[μm]以上が好ましい。
【0037】
一方、先端径Dがあまり大きくなりすぎると、光導波部44を設ける意義が薄くなる。この観点から、先端径Dは、100[μm]以下とするのが適切であり、好ましくは、30[μm]以下、さらに好ましくは、10[μm]以下である。
【0038】
先端径に関し、上記した許容最小径と許容最大径の組み合わせを考慮すると以下のようになる。
先端径Dは、1[μm]以上、100[μm]以下とするのが適切であり、好ましくは、3[μm]以上、30[μm]以下、さらに好ましくは、5[μm]以上、10[μm]以下である。
(2)先端径Dと高さ(長さ)Hとの比
また、光導波部44内での反射回数を多くし、光導波部44間での配光曲線をできるだけ揃えるためには、光導波部44を細長くすればよい。細長さの度合いは、先端径Dと高さ(長さ)Hとの比で表される。
【0039】
高さHの先端径Dに対する比が小さすぎると(太短くなりすぎると)反射回数が少なくなり好ましくない。一方、高さHの先端径Dに対する比が大きすぎると(細長くなりすぎると)、製造上の困難性が増し、好ましくない。光導波部44となる部分以外の部分をエッチングにより掘り下げて製作するためである。
【0040】
よって、高さHと先端径Dとの関係は、高さHが先端径Dの3倍以上、20倍以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、5倍以上、10倍以下である。
(3)光導波部同士の間隔
光導波部44はできるだけ間隔を詰めて、多数個を配することが好ましい。しかしながら、間隔を詰めすぎると、エバネッセント波が隣接する光導波部44に伝播してしまう。一方、間隔を空けすぎると、限られたスペース内に設ける光導波部44の個数が少なくなるため好ましくない。
【0041】
上記の観点から、一の光導波部44に隣接する光導波部44との間隔Pは、1[μm]以上、10[μm]以下が好ましく、さらに好ましくは3[μm]以上、8[μm]以下である。ここで、上記間隔Pとは、隣接する光導波部44における側面間の最短距離をいうものとする。
【0042】
本実施の形態では、全てを無機材料から構成することが可能となり、耐熱性が向上することから、一般照明光源に使用可能な高出力の半導体発光装置を実現することができる。
波長変換部材に一般的に用いられている樹脂材料に蛍光体材料を分散したものではなく、セラミックス蛍光体を使用する有利な点として、熱伝導率が高いことが上げられる。本実施の形態で用いたYAGセラミックスにおいては、熱伝導率10W/mK以上と樹脂材料を用いる場合に比べ1〜2桁程度高い。蛍光体プレート18で発生したストークス損による熱を密接する青色LED18、及び高熱伝導材料からなるAlN絶縁基板4を通じて効果的に放熱することが可能となる。蛍光体プレート18の温度上昇が抑制され高い変換効率を維持することが可能となる。
【0043】
蛍光体プレート30と青色LED18の隙間には透光性材料、例えばガラス材料、酸化物材料、窒化物材料、炭化物材料、蛍光体材料、樹脂材料、これらの粒子材料、さらにこれらを組合せた材料などを充填することもできる。適切な粒子径からなる粒子材料を充填すると散乱効果により青色光を均一に蛍光体プレート30の下面に照射することができる。また、蛍光体材料を充填すると蛍光体プレートによる黄色光以外の光色成分を追加することができる。
【0044】
上記の材料を隙間に充填する効果として、中空の場合に比べ、蛍光体プレート30で生じたストークス損による熱が青色LED18側に放熱しやすくなり、蛍光体プレートの温度上昇による変換効率低下を抑制することができる。
【0045】
充填する材料、粒子径、それらの組合わせにより充填材料の屈折率の調整が可能となり、蛍光体プレート30に青色光を低損失で入射することが可能となる。
また、酸化物材料等からなる波長選択特性を有する多層膜を青色LED18の光出射面、蛍光体プレート30の光入射面にスパッタ技術等を用いて形成することにより青色光を選択的に透過し、黄色光を選択的に反射させることも可能となる。かかる効果として蛍光体プレート30で生じた黄色光が青色LED18側に戻ることによる損失を抑制することができる。
【0046】
ガラス材料には光学ガラス以外にもゾルゲル法などによるガラス材料も含まれる。
酸化物の例としてSiO2、Al2O3、ZnO、Y2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、SnO2、Ta2O3、Nb2O5、BaSO4、ZnS、V2O5がある。窒化物の例としてAlN、BN、AlNがある。炭化物の例としてSiC、Cがある。
【0047】
樹脂材料には高透光性、高耐熱性、高耐光性を有するものとしてシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、これらを含む樹脂材料がある。
蛍光体材料には、黄色蛍光体としてY3Al5O12:Ce3+、Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+、(Y,Gd)3Al5O12:Ce3+、Y3Al5O12:Tb3+、Y3Al5O12:Ce3+,Pr3+、チオガレート蛍光体CaGa2S4:Eu2+、α−サイアロン蛍光体Ca-α-SiAlON:Eu2+などがある。
【0048】
緑色蛍光体として、アルミン酸塩蛍光体 BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+, (Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu2+、α−サイアロン蛍光体 Sr1.5Al3Si9N16:Eu2+,Ca-α-SiAlON:Yb2+、β−サイアロン蛍光体β-Si3N4:Eu2+、酸化物蛍光体 シリケート(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+
酸窒化物蛍光体 オクソニトリドシリケート(Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+、オクソニトリドアルミノシリケート(Ba,Sr,Ca)2Si4AlON7:Ce3+、(Ba,Sr,Ca)Al2−xSixO4−xNx:Eu2+(0<x<2)、窒化物蛍光体 ニトリドシリケート蛍光体(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Ce3+、 チオガレート蛍光体SrGa2S4:Eu2+、 ガーネット蛍光体Ca3Sc2Si3O12:Ce3+, BaY2SiAl4O12:Ce3+などがある。
【0049】
橙色蛍光体として、α−サイアロン蛍光体Ca-α-SiAlON:Eu2+などがある。
赤色蛍光体として硫化物蛍光体 (Ca、Sr)AlSiN3:Eu2+、 (Sr,Ca)S:Eu2+,La2O2S:Eu3+,Sm3+、珪酸塩蛍光体 Ba3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+、窒化物または酸窒化物蛍光体 (Ca、Sr)SiN2:Eu2+、 (Ca、Sr)AlSiN3:Eu2+、 Sr2Si5-xAlxOxN8-x:Eu2+(0≦x≦1)などがある。
【0050】
これらの蛍光体材料は粒子材料、蛍光体セラミックス材料として使用することができる。
<実施の形態2>
図5は、実施の形態2に係る表面実装型白色LEDパッケージ50(以下、単に「LEDパッケージ50」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0051】
LEDパッケージ50は、実施の形態1のLEDパッケージ2(図1)とは異なり、1個の青色LED52で構成されている。LEDパッケージ50の蛍光体プレート54は、実施の形態1の蛍光体プレート30と同じ材質であり、光導波部44の形状等も同様の観点から設定されているため、ここでの説明は省略する。
【0052】
青色LED52は、フェイスアップ構造を有したチップ形態のLEDであり絶縁基板56に実装されている。青色LED52のp側電極(不図示)と絶縁基板56に形成されたアノード端子58とは、ボンディングワイヤー60で接続されている。一方、n側電極(不図示)と絶縁基板56に形成されたカソード端子62とはボンディングワイヤー64で接続されている。
【0053】
絶縁基板56には、高熱伝導率材料からなる枠状をしたスペーサ66が重ねて設けられている。そして、スペーサ66の上面に蛍光体プレート54が載置されている。絶縁基板56および蛍光体プレート54とスペーサ66とは、耐熱性の接着剤等を用いて固着されている。
【0054】
青色LEDと蛍光体プレートの搭載基台を構成する絶縁基板56及びスペーサ66は、高熱伝導材料からなり、例えば、Cu、Al、Fe、Au等の金属材料、これらの合金材料や、Al2O3、MgO、Y2O3、ZnO、BN、AlN、SiC等のセラミックス材料、これら混合材料が考えられる。基台に高熱伝導材料を用いることで、蛍光体プレート及び青色LEDで発生した熱を拡散し、温度上昇を抑制することが可能となる。
<実施の形態3>
図6は、実施の形態3に係る表面実装型白色LEDパッケージ80(以下、単に「LEDパッケージ80」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0055】
LEDパッケージ80は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは、蛍光体プレートの全体的な形状が異なる以外は、基本的に、同様の構成である。よって、図6において、LEDパッケージ50と共通する構成部分には同様の符号を付して、その説明については省略する。
【0056】
LEDパッケージ80の蛍光体プレート82は、全体的にドーム形状(半球状)をしている。このような形状としたことにより、LEDパッケージ50よりもワイドな配光曲線を得ることができる。
<実施の形態4>
図7は、実施の形態4に係る表面実装型白色LEDパッケージ90(以下、単に「LEDパッケージ90」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0057】
LEDパッケージ90は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは、蛍光体プレートにおける光導波部の構成が異なる以外は、基本的に同様である。よって、図7において、LEDパッケージ50と共通する構成部分には同様の符号を付して、その説明については省略する。
【0058】
LEDパッケージ50(図5)において、光導波部は全部同じ形状で同じ大きさのものとした。これに対し、LEDパッケージ90における蛍光体プレート92では、高さ(長さ)と先端径の異なる光導波部94,96を組み合わせて用いることとした。
【0059】
このような構成とすることにより、干渉パターンの発生を抑制することが可能となる。
なお、このような光導波部94,96を母材のエッチングにより製作することは困難であるため、本例では、別途制作したものを、方形板状をした本体部98に接着剤により接合することとした。なお、この場合には、光導波部94,96と本体部98とは異なる材質で形成することとしても構わない。例えば、本体部98は、実施の形態1の蛍光体プレート30と同じ材質とし、光導波部94,96は低融点ガラスで形成する等の組み合わせが考えられる。
<実施の形態5>
図8(a)は、実施の形態5に係る表面実装型白色LEDパッケージ100(以下、単に「LEDパッケージ100」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0060】
LEDパッケージ100は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは異なり、複数個の(本例では、2個の)青色LED52A,52Bで構成されている。青色LED52A,52Bは、実施の形態2の青色LED52と同じものである。
【0061】
青色LED52Aのp側電極(不図示)と絶縁基板102に形成されたアノード端子104とは、ボンディングワイヤー60Aで接続されており、n側電極(不図示)と絶縁基板58に形成されたパッド106とはボンディングワイヤー64Aで接続されている。
【0062】
一方、青色LED52Bのp側電極(不図示)とパッド106とは、ボンディングワイヤー60Bで接続されており、n側電極(不図示)と絶縁基板58に形成されたカソード端子108とはボンディングワイヤー64Bで接続されている。
【0063】
以上の構成により、青色LED52Aと青色LED52Bとは、直列接続されている。
絶縁基板102には、絶縁材料からなる枠状をしたスペーサ110が重ねて設けられている。そして、スペーサ110の上面に蛍光体プレート112が載置されている。
【0064】
蛍光体プレート112は、種類の異なる2枚の蛍光体プレート114、116で構成された本体部111と、複数個の光導波部118とを有する。
蛍光体プレート114は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を赤色光に波長変換する。
【0065】
蛍光体プレート116は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を緑色光に波長変換する。
光導波部118は、先端面が半球状をした円柱体からなり、例えば、低融点ガラスで形成することができ、当該光導波部118には、必ずしも、蛍光体を含ませる必要はない。
【0066】
絶縁基板102、蛍光体プレート114、116、および光導波部118は、接着剤によって固着されている。
絶縁基板56および蛍光体プレート54とスペーサ66とは、耐熱性の接着剤等を用いて固着されている。
【0067】
上記の構成からなるLEDパッケージ100では、青色LED52A,52Bから出射される青色光が蛍光体プレート114で赤色光に変換され、蛍光体プレート116で緑色光に波長変換される。そして、赤色光および緑色光と赤色光にも緑色光にも変換されなかった青色光とが混色されて白色光となる。
【0068】
このように、異なる色を発する蛍光体プレートを組み合わせて蛍光体プレートを構成することにより、同じ白色光でも色温度等の異なる多彩な光色を実現できる。
また、光導波部に先端面の形状を半球状にすることにより、光導波部からの光の取り出し効率が向上することとなる。
【0069】
図8(b)に示すのは、上記LEDパッケージ100の変形例に係る表面実装型白色LEDパッケージ101(以下、単に「LEDパッケージ101」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0070】
LEDパッケージ101は、LEDパッケージ100とは、蛍光体プレートの本体部の構成が異なる以外は、基本的に同じ構成である。よって図8(b)において、LEDパッケージ100と同様の構成部材には同じ符号を付してその説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。
【0071】
パッケージ100(図8(a))の本体部111は、2種類の蛍光体プレートを絶縁基板102の主面と直行する方向に積層して構成した。これに対しLEDパッケージ101の蛍光体プレート119では、短冊状をし、種類の異なる2種類の蛍光体プレート113,115を交互に、絶縁基板102の主面と平行な方向に積層して本体部117構成した。よって、本体部117を、絶縁基板102と直交する方向から見ると蛍光体プレート113,115が交互に並んだストライプ形状をしている。蛍光体プレート113は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を赤色光に波長変換し、蛍光体プレート115は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を緑色光に波長変換する。
【0072】
上記構成からなるLEDパッケージ101において、白色光が得られるしくみは、LEDパッケージ100と同様なので、その説明については、省略する。
なお、赤色発光する蛍光体は、これよりも波長の短い緑色発光する蛍光体からの光を吸収し、吸収された分が損失となる。
【0073】
そこで、図8(a)に示す本体部111や図(b)に示す本体部117のように、両蛍光体プレートを、緑色光が赤色発光する蛍光体をできるだけ通過しないような配置とすることにより、上記損失を低減することができる。
【0074】
この観点から、図8(b)に本体部117においては、蛍光体プレート113と蛍光体プレート115の間に、少なくとも緑色光を反射する反射層を形成することにより、一層上記の損失を低減することができる。
【0075】
なお、上記変形例に関わらず、角柱形をし赤色発光する蛍光体柱と、同じく角柱状をし緑色発光する蛍光体柱とを、絶縁基板102の主面と垂直な方向から見て、市松模様になるように配して、蛍光体プレートの本体部を形成することとしても構わない。なお、その場合の断面は、図8(b)に示す断面図と同様に現れる。
<実施の形態6>
図9は、実施の形態6に係る表面実装型白色LEDパッケージ120(以下、単に「LEDパッケージ120」と言う。)における、白色LED122およびその近傍の概略構成を示す断面図である。
【0076】
LEDパッケージ120は、実施の形態1のLEDパッケージ2において、白色LED8(図1、図2)に代えて、白色LED122を用いたものである。LEDパッケージ120は、白色LEDの構成が異なる以外は、基本的には、LEDパッケージ2と同様の構成である。
【0077】
白色LED8(図2)が、蛍光体プレート30を青色LED18に対し間隔を空けて配置したのに対し、白色LED122は、蛍光体プレート124を青色LED126に密接して配置させている。
【0078】
青色LED126は、絶縁基板4側から、p−GaN系半導体層128、InGaN系量子井戸発光層130、n−GaN系半導体層132がこの順に積層された半導体多層膜構造を有する。
【0079】
p−GaN系半導体層128の下面には、p側電極134が形成されており、n−GaN系半導体層132の一部が露出した部分には、n側電極136が形成されている。
前記半導体多層膜の側面には、窒化シリコンからなる絶縁膜138が形成されている。
【0080】
p−GaN系半導体層128の厚みは200[nm]、n−GaN系半導体層132の厚みは6[μm]であり、青色LED126の平面視でのサイズは1mm角である。なお、p−GaN系半導体層128、発光層130、n−GaN系半導体層132は、不図示のYAG系基板上にバッファ層(不図示)を介して、GaN系多層膜をエピタキシャル成長により形成したものである。なお、蛍光体プレート124は、前記YAG系基板の青色LED126が形成されたのと反対側がエッチングされて円柱状をした光導波部140が形成されてなるものである。
【0081】
p側電極134は、金(Au)バンプ142によって、絶縁基板4に形成された配線パターン144と接合されており、n側電極136は、金(Au)バンプ146によって、絶縁基板4に形成された配線パターン148に接合されている。
【0082】
配線パターン144と配線パターン148とを介して青色LED126に給電すると発光層130からは、実施の形態1の青色LED18(図2)と同様のスペクトルを有する青色光が出射される。
【0083】
蛍光体プレート124は、青色光の入射面が平坦面になっている以外は、材質も含め、実施の形態1の蛍光体プレート30と同様の構成である。
ただ、蛍光体プレート124の光入射面(下面)と青色LED126の光出射面(n−GaN系系半導体層132の上面)とを密接させているため、実施の形態1の場合と同様に、蛍光体プレート124の温度上昇による変換効率の低下を防止することが可能となる。
【0084】
また、本実施例の白色LED122においては、青色LED126と蛍光体プレート124が一体形成されていることから、これを一素子として扱うことが可能となり、生産性、製品の小型、薄型化の点で優位である。
【0085】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記した形態に限らないことは、勿論であり、例えば、以下の形態とすることもできる。
(1)上記実施の形態の蛍光体プレートは、YAGセラミックスをホスト材料とし、これにCeをドーピングした蛍光体セラミックスで形成したが、これに限らず、蛍光体プレートは、以下に記す材料で形成することとしても構わない。
【0086】
蛍光体プレートを形成する材料としては、セラミックス材料としてY3Al5O12:Ce3+など上述の蛍光体材料をプレート状に焼結したもののほか、Al2O3の単結晶とCe3+を含むY3Al5O12の単結晶が単結晶を維持したまま、連続的かつ3次元的に相互に絡み合って形成され、境界部分にアモルファス層のない融液成長複合セラミックス材料などがある。
【0087】
また、SiO2−B2O3系ガラス、SiO2−RO(ROはMgO、CaO、SrO、BaOを表す)系ガラス、SiO2−B2O3−R2O(R2OはLi2O、Na2O、K2Oを表す)系ガラス、SiO2−B2O3−Al2O3系ガラス、SiO2−B2O3−ZnO系ガラス、ZnO−B2O3系ガラスのガラス粉末と上述の蛍光体材料の混合物を焼結するとガラス中に蛍光体材料を分散させた複合ガラス材料などがある。例えば、材料を低温で焼成したい場合、比較的容易に軟化点を低下させることが可能なZnO−B2O3系ガラス、SnO−P2O5系ガラスを選択すればよく、複合ガラス材料の耐候性を向上させたい場合は、SiO2−B2O3系ガラス、SiO2−RO系ガラス、SiO2−B2O3−R2O系ガラス、SiO2−B2O3−Al2O3系ガラス、SiO2−B2O3−ZnO系ガラスを選択すればよい。
【0088】
さらに、SiO2、Al2O3、Y2O3、GeO2、Gd2O3、Li2O、CaO+MgO+Sc2O3、Ce2O3などの混合材料を溶融、冷却によりCe3+ガーネット結晶を析出してなる結晶化ガラス材料などでもよい。
【0089】
また、Y3Al5O12の単結晶にCe3+をドープした酸化物単結晶材料でもよい。単結晶材料を用いる利点として、セラミックス基板を用いる場合に比べて、実施の形態6に示したような単結晶基板に高品質のLED構造をエピタキシャル成長することができる。
(2)上記実施の形態では、青色LEDと黄色蛍光体との組み合わせ、または青色LEDと緑色蛍光体および赤色蛍光体との組み合わせにより、白色光を出射するLEDパッケージを構成した。すなわち、青色光からなる1次光とその補色である黄色光からなる2次光により白色光を合成する例を示した。照明用光源として使用する場合は、色度座標上に示される黒体軌跡上の白色光を合成することが好ましいからである。
【0090】
しかしながら、1次光、2次光及びその合成光はこれらの色に限定されるものではなく、他の光色の組み合わせで白色光を合成することも可能であり、また、白色光以外を合成することも可能である。かかる場合、色度座標上の広範囲の光色を合成することが可能となり、表示用光源にも使用することができる。
(3)上記実施の形態では、図10(a)に示すように、円柱状をした光導波部44を、平面視で、縦横に等間隔でマトリックス状に配列することとしたが、光導波部の配列形態はこれに限らず、例えば、光導波部150、光導波部152を図10(b)、(c)に示すように配列することとしても構わない。
【0091】
また、円柱状に限らず、図10(d)、(e)に示すように、四角柱状をした光導波部154,156としても、図10(f)、(g)に示すように、三角柱状をした光導波部158,160としても、あるいは、図10(h)に示すように六角柱状をした光導波部162としても構わない。
【0092】
図10(e)、(f)のように光導波部が連続した構造においては、光導波部の外壁で構成される(仕切られる)空間が形成される。光導波部から漏れた光はかかる空間内で反射を繰り返しながら導波された後、その開口から出射されることとなる。したがって、外壁で構成される空間が光導波部と同様の効果を有する。
(4)光導波部の先端面形状は、平坦面(図2、図5、図6、図7、図9)、半球面(図8)に限らず、例えば、円錐形状とすることもできる。円錐形状とすることにより、光導波部の各々において、一層ワイドな配光曲線を実現することができる。その結果、照射面における色むらがさらに抑制されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【0093】
本発明に係る半導体発光装置は、例えば、自動車に搭載される各種照明装置(ヘッドライト、フォグランプ、インパネバックライト、車内灯など)の光源、カメラ用フラッシュ、液晶モニター用バックライトユニットなどの光源として好適に利用可能である。
【符号の説明】
【0094】
2,50,80,100,101,120 表面実装型白色LEDパッケージ
18,126 青色LED
30,54,82,92,112,119,124 蛍光体プレート
42 出射部
39,111,117 本体部
44,94,96,118,140,150,152,154,156,158,160,162 光導波部
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、半導体発光素子と、当該半導体発光素子から出射される1次光をこれとは波長の異なる2次光に変換する波長変換部材と、を有する半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体発光装置の一種である白色LEDパッケージが、近年、蛍光灯等の従来の照明器具に代替するものとして広く用いられるようになってきている。白色LEDとして、一般的なものは、半導体発光素子の一種である青色LEDと波長変換物質である黄色蛍光体とを組み合わせたものが知られている。当該白色LEDは、青色LEDを励起源とし、黄色蛍光体を青色光(1次光)で発光させ、蛍光体を透過してくる青色光と蛍光体による黄色光(2次光)とを混色して白色光を生成するものである。
【0003】
例えば、特許文献1には、青色LEDチップと、合成樹脂に黄色蛍光体粒子が分散されてなる蛍光体プレートとを有するLEDパッケージが開示されている。
また、特許文献2,3には、蛍光体プレート自身が発光セラミックスの焼結体からなるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−347061号公報
【特許文献2】特開2006−49410号公報
【特許文献3】特開2007−150331号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の白色LEDパッケージでは、照射面に色むらが生じるといった問題が発生している。このことについて、図11を参照しながら説明する。
図11は、従来の白色LEDパッケージ200における青色LEDチップ202と蛍光体プレート204のみを描いた概念図である。
【0006】
青色LEDチップ202から出射された青色光は、蛍光体プレート204を通過する間に、その一部が黄色光に波長変換される。この場合、蛍光体プレート204を通過する距離が長いほど青色光は黄色光に変換される割合が高くなる。このため、蛍光体プレート204に垂直に入射した青色光よりも斜めに入射した青色光の方が、黄色光に変換される割合が高くなる。
【0007】
この結果、青色LEDチップ202の出射面の正面前方の照射面では青味が強く、斜め前方では黄味が強いといったように色むらが生じる。
特許文献1の蛍光体プレート204を用いると、合成樹脂に練りこまれた蛍光体粒子が散乱材として機能し、当該蛍光体プレート内において、青色光と黄色光とが若干は混色されることとなり、上記した照射面における色むらはある程度緩和される。
【0008】
ところが、特許文献2,3の蛍光体プレートでは、このような散乱作用がほとんど発揮されないため、特に、照射面のおける色むらが大きくなっている。
この問題に対処するためには、青色LEDチップと蛍光体プレートの間の距離を大きくとり、蛍光体プレートの入射面における中央部とその周辺部との青色光の入射角度の差を少なくすることが考えられるが、パッケージの大型化を招来するため好ましくない。
【0009】
本発明は、上記した課題に鑑み、大型化を招来することなく、照射面における色むらを効果的に低減できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体発光装置は、可視域にピーク波長を有する1次光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子から入射された1次光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光に変換し、当該2次光を波長変換されなかった1次光と共に出射する波長変換部材とを有し、前記波長変換部材は、前記半導体発光素子の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部と、当該本体部の光出射側に複数個突出形成された柱状の突起からなる出射部とを備えることを特徴とする。
【0011】
また、前記突起の先端径が1[μm]以上、100[μm]以下の範囲にあり、前記突起の長さが前記先端径の3倍以上、20倍以下の範囲にあることを特徴とする。さらに、前記突起の先端径が3[μm]以上、30[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。また、さらに前記突起の先端径が5[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。
【0012】
また、前記突起の長さが前記先端径の5倍以上、10倍以下の範囲にあることを特徴とする。
また、前記突起各々の隣接する突起との間隔が1[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。さらに、前記突起各々の隣接する突起との間隔が3[μm]以上、8[μm]以下の範囲にあることを特徴とする。
【0013】
また、前記波長変換部材が、セラミックス材料、複合ガラス材料、結晶化ガラス材料、酸化物単結晶材料のいずれか一つからなることを特徴とする。
また、前記半導体発光素子の光射出面と前記波長変換部材の光入射面とが密接させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
上記構成からなる半導体発光装置によれば、出射部を構成する各突起において突出基端部から入射された1次光および2次光は、当該突起内で反射を繰り返しながら導波された後、その先端から出射されることとなるため、当該先端からは放射状に広がって1次光および2次光が射出されることとなる。よって、個々の突起間では1次光と2次光の割合が異なっていたとしても、照射面においては、各突起先端から出射された1次および2次光同士が混色されることとなるので、当該照射面における色むらが低減される。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】(a)は、実施の形態1に係る表面実装型LEDパッケージの平面図であり、(b)は、(a)におけるA・A線断面図である。
【図2】(a)は、蛍光体プレートの平面図であり、(b)は、図1(b)におけるB部詳細図である。
【図3】(a)は、光導波部の機能を説明するための図であり、(b)は、光導波部の寸法関係を説明するための図である。
【図4】上記表面実装型LEDパッケージにおける色むら抑制効果について説明するための図である。
【図5】実施の形態2に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図6】実施の形態3に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図7】実施の形態4に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図8】(a)は、実施の形態5に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図であり、(b)は、実施の形態5の変形例に係る表面実装型LEDパッケージの概略構成を示す断面図である。
【図9】実施の形態6に係る表面実装型LEDパッケージにおける一の白色LEDの概略構成を示す断面図である。
【図10】光導波部の変形例を表した図である。
【図11】従来技術を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明に係る半導体発光装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
<実施の形態1>
図1は、本発明に係る半導体発光装置の実施の形態の一例として示す、表面実装型白色LEDパッケージ2(以下、単に「LEDパッケージ2」と言う。)の概略構成を表した図である。図1(a)は、LEDパッケージ2の平面図を、図1(b)は、(a)におけるA・A線断面図をそれぞれ示している。なお、図1を含む全ての図において各部材間の縮尺は統一していない。
【0017】
LEDパッケージ2は、半導体発光素子の搭載基台となる窒化アルミ(AlN)からなる絶縁基板4に配線パターン(図1では不図示)が印刷されてなるプリント配線板6を有する。絶縁基板4の縦×横×厚みの大きさは、30[mm]×50[mm]×1.5[mm]である。
【0018】
プリント配線板6上には、複数個(本例では、5個)の白色LED8が設けられている。これらの白色LED8は、前記配線パターンによって直列に接続されている。当該直列接続における高電位側末端の白色LED8のp側電極は、配線パターンの一部を介してアノード端子10に電気的に接続されており、低電位側末端の白色LED8のn側電極は配線パターンの一部を介して、カソード端子12に接続されている。
【0019】
白色LED8の各々には、半球状をしたガラスカバー14が被せられている。
図1(b)におけるB部の詳細を図2(b)に示す。図2(a)に、後述する蛍光体プレート30の平面図を示す。
【0020】
図2(b)に示すように、絶縁基板4上に形成されたTi/Pt/Auからなる配線パターン16に、半導体発光素子であるGaN系の青色LED18が、AuSnからなる共晶接合層(不図示)を介して接合されている。
【0021】
青色LED18は、絶縁基板4側から、Ag/Pt/Au膜からなるp側電極(不図示)、p−GaN系半導体層20、InGaN系量子井戸発光層22、n−GaN系半導体層24、およびTi/Pt/Au膜からなるn側電極26この順に積層されてなるものである。p−GaN系半導体層20の厚みは200[nm]、n−GaN系半導体層24の厚みは6[μm]であり、青色LED18の平面視でのサイズは1mm角である。n側電極26は、n−GaN系半導体層24の周縁に沿った枠状をしている。なお、p−GaN系半導体層20、発光層22、n−GaN系半導体層24は、不図示のサファイア基板上にエピタキシャル成長により形成されたものが、当該サファイア基板から分離されたものである。
【0022】
発光層22からは、可視域に属する440〜470[nm]のピーク波長を有する青色光が出射される。ここで可視域は、380[nm]以上780[nm]以下の範囲を指す。青色LED18からの光取り出し効率を改善するため、n−GaN系半導体層24の上面(光出射面)は、KOH溶液中で光照射することによって、数μmの凹凸面に形成されている。
【0023】
青色LED18の側面には、窒化珪素からなる無機性の絶縁膜28が形成されている。
絶縁基板4と対向させ、青色LED14の出射光路を跨ぐ状態に、波長変換部材である蛍光体プレート30が配置されている。蛍光体プレート30は、セリウム(Ce)をドープしたYAGセラミックスからなる。蛍光体プレートの屈折率は1.83である。蛍光体プレート30の下面(光入射面)は、サンドブラストにより数μmの凹凸面に形成されている。
【0024】
蛍光体プレート30と青色LED18の隙間を本例のように中空としても、上記したように互いに対向する蛍光体プレート30の下面と青色LED18の光取り出し面に凹凸面を形成することにより、両者の屈折率差による界面での反射を抑制することが可能となり、より多くの青色光を蛍光体プレート30に入射することが可能となる。
【0025】
なお、蛍光体プレートの厚みは賦活剤の濃度及び機械的強度、採用するプロセスに依存し、20[μm]以上、1[mm]以下が好ましい。賦活剤濃度を高くすることで蛍光体プレートを薄くすることが可能になり、より小型、薄型の白色光源を実現することが可能になる。賦活剤濃度を低くすると蛍光体プレートを厚くすることが可能にあり、色むら抑制効果、機械的強度の面で優位になる。本実施の形態や後述の実施の形態6のように蛍光体プレートが青色LEDに支持されるように取り付ける場合は、蛍光体プレートの厚さを20[μm]以上、200[μm]以下の薄いものを採用することが可能となり、蛍光体プレートを搭載基台に取り付ける実施の形態2〜5の形態においては、300[μm]以上、1[mm]以下の厚いものを採用することができる。
【0026】
蛍光体粒子を樹脂やガラスの母材に分散した蛍光体プレートの場合は、蛍光体粒子と母材の屈折率差による界面での散乱により、1次光と2次光が混合される。一方、上述のセラミックス等の波長変換部材においても、散乱等はあるものの、蛍光体粒子を樹脂等に分散したものに比べるとその効果は小さくなる。一般的には、蛍光体プレートを薄くすると光路長が短くなるので、散乱効果はより小さくなる傾向があることから、特に20〜200μmのもの,より好ましくは100μm以下において、本発明の効果を発揮することができる。
【0027】
また、蛍光体プレート30の下面の周縁に沿って枠状をした、Cr/Pt/Au膜からなる金属接続層32が形成されている。
金属接続層32とn側電極26とは、複数個所においてAuバンプ34によって接合されている。また、金属接続層32とTi/Pt/Auからなる配線パターン36とは、複数個所において、Auバンプ38によって接合されている。
【0028】
上記した構成において、配線パターン16と配線パターン36を介して、給電すると、青色LED18は、1次光として青色光を出射する。青色LED18から出射された青色光は、蛍光体プレート30の本体部39にその下面(入射面)40から入射する。蛍光体プレート30は、青色LED18から入射された青色光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光としての黄色光に変換し、当該黄色光を波長変換されなかった青色光と共に、出射部42から出射する。
【0029】
蛍光体プレート30の出射部42は、方形板状をした本体部39の光出射側に突出形成された柱状(図示例では、円柱状)の突起からなる光導波部44を複数個有する。
光導波部44は、図2(a)に示すように、マトリックス状に配列されている。
【0030】
光導波部44の機能について、図3(a)を参照しながら説明する。図3(a)は、光導波部44の拡大断面図である。
光導波部44の中心軸Cに対し斜めに入射した光は、光導波部44と空気層との境界面で反射を繰り返しながら導波した後、その先端面46から出射される。その結果、先端面46からは放射状に光が出射されることとなる。
【0031】
光導波部44の先端面46の各々から光が放射状の出射されることにより、照射面における色むらが低減されるのであるが、このことについて、図4を参照しながら、詳細に説明する。
【0032】
図4は、LEDパッケージ2における青色LED18と蛍光体プレート30のみを描いた概念図である。
青色LED18から蛍光体プレート30にその入射面40から入射された青色光の一部は波長変換されて黄色光になり、当該黄色光と波長変換されなかった青色光とは、光導波部44の各々に分かれて(分割されて)入射する。
【0033】
マトリックス状に配列された光導波部44の各々に入射する光の内、真中に近い光導波部44Aに入射する光ほど、青色光の割合が高くなり、逆に、周縁に近い光導波部44Bに入射する光ほど黄色光の割合が高くなる。この現象は、[発明が解決しようとする課題]の欄で説明したのと同様の理由による生じる。
【0034】
よって、光導波部44Aの先端面からは青味の強い光が射出され、光導波部44Bの先端面からは黄味の強い光が射出されることとなる。(図4において、青味の強い光を実線で、黄味の強い光を破線で表している。)
しかし、上述したように光導波部44の各先端面から出射された光は放射状に広がっていく。その結果、照射面においては、青味の強い光と黄味の強い光とが適度に混色されて白色となり、従来よりも色むらの少ない状態で照射面を照らすことが可能となる。
【0035】
このとき、できるだけ色むらを低減させるためには、光導波部44の各々を独立した光源とみなした場合に、各光源(各光導波部44)の配光曲線の形状が揃っていることが好ましい。
【0036】
このためには、光導波部44内での上記境界面における光の反射回数を多くすれば良く、それには、光導波部44をできるだけ細長くすればよい。
次に、光導波部44の好ましい形状について、図3(b)を参照しながら説明する。
(1)先端径D
上述したように、光導波部44は、できるだけ細いことが好ましい。しかし、あまり細くしすぎると、光が回折によって光導波部44の先端面46から後方に回り込み易くなり、これが新たな色むらの原因となってしまう。そこで、可視光の波長域である380〜780[nm]を考慮すると、光導波部44の先端部(先端面46)の径Dは1[μm]以上が好ましい。さらに、長波長の光を取り扱う場合、先端径Dは、3[μm]以上が好ましい。また、可視光の内、最も長波長である780[nm]の光を取り扱う場合は、5[μm]以上が好ましい。
【0037】
一方、先端径Dがあまり大きくなりすぎると、光導波部44を設ける意義が薄くなる。この観点から、先端径Dは、100[μm]以下とするのが適切であり、好ましくは、30[μm]以下、さらに好ましくは、10[μm]以下である。
【0038】
先端径に関し、上記した許容最小径と許容最大径の組み合わせを考慮すると以下のようになる。
先端径Dは、1[μm]以上、100[μm]以下とするのが適切であり、好ましくは、3[μm]以上、30[μm]以下、さらに好ましくは、5[μm]以上、10[μm]以下である。
(2)先端径Dと高さ(長さ)Hとの比
また、光導波部44内での反射回数を多くし、光導波部44間での配光曲線をできるだけ揃えるためには、光導波部44を細長くすればよい。細長さの度合いは、先端径Dと高さ(長さ)Hとの比で表される。
【0039】
高さHの先端径Dに対する比が小さすぎると(太短くなりすぎると)反射回数が少なくなり好ましくない。一方、高さHの先端径Dに対する比が大きすぎると(細長くなりすぎると)、製造上の困難性が増し、好ましくない。光導波部44となる部分以外の部分をエッチングにより掘り下げて製作するためである。
【0040】
よって、高さHと先端径Dとの関係は、高さHが先端径Dの3倍以上、20倍以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、5倍以上、10倍以下である。
(3)光導波部同士の間隔
光導波部44はできるだけ間隔を詰めて、多数個を配することが好ましい。しかしながら、間隔を詰めすぎると、エバネッセント波が隣接する光導波部44に伝播してしまう。一方、間隔を空けすぎると、限られたスペース内に設ける光導波部44の個数が少なくなるため好ましくない。
【0041】
上記の観点から、一の光導波部44に隣接する光導波部44との間隔Pは、1[μm]以上、10[μm]以下が好ましく、さらに好ましくは3[μm]以上、8[μm]以下である。ここで、上記間隔Pとは、隣接する光導波部44における側面間の最短距離をいうものとする。
【0042】
本実施の形態では、全てを無機材料から構成することが可能となり、耐熱性が向上することから、一般照明光源に使用可能な高出力の半導体発光装置を実現することができる。
波長変換部材に一般的に用いられている樹脂材料に蛍光体材料を分散したものではなく、セラミックス蛍光体を使用する有利な点として、熱伝導率が高いことが上げられる。本実施の形態で用いたYAGセラミックスにおいては、熱伝導率10W/mK以上と樹脂材料を用いる場合に比べ1〜2桁程度高い。蛍光体プレート18で発生したストークス損による熱を密接する青色LED18、及び高熱伝導材料からなるAlN絶縁基板4を通じて効果的に放熱することが可能となる。蛍光体プレート18の温度上昇が抑制され高い変換効率を維持することが可能となる。
【0043】
蛍光体プレート30と青色LED18の隙間には透光性材料、例えばガラス材料、酸化物材料、窒化物材料、炭化物材料、蛍光体材料、樹脂材料、これらの粒子材料、さらにこれらを組合せた材料などを充填することもできる。適切な粒子径からなる粒子材料を充填すると散乱効果により青色光を均一に蛍光体プレート30の下面に照射することができる。また、蛍光体材料を充填すると蛍光体プレートによる黄色光以外の光色成分を追加することができる。
【0044】
上記の材料を隙間に充填する効果として、中空の場合に比べ、蛍光体プレート30で生じたストークス損による熱が青色LED18側に放熱しやすくなり、蛍光体プレートの温度上昇による変換効率低下を抑制することができる。
【0045】
充填する材料、粒子径、それらの組合わせにより充填材料の屈折率の調整が可能となり、蛍光体プレート30に青色光を低損失で入射することが可能となる。
また、酸化物材料等からなる波長選択特性を有する多層膜を青色LED18の光出射面、蛍光体プレート30の光入射面にスパッタ技術等を用いて形成することにより青色光を選択的に透過し、黄色光を選択的に反射させることも可能となる。かかる効果として蛍光体プレート30で生じた黄色光が青色LED18側に戻ることによる損失を抑制することができる。
【0046】
ガラス材料には光学ガラス以外にもゾルゲル法などによるガラス材料も含まれる。
酸化物の例としてSiO2、Al2O3、ZnO、Y2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、SnO2、Ta2O3、Nb2O5、BaSO4、ZnS、V2O5がある。窒化物の例としてAlN、BN、AlNがある。炭化物の例としてSiC、Cがある。
【0047】
樹脂材料には高透光性、高耐熱性、高耐光性を有するものとしてシリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、これらを含む樹脂材料がある。
蛍光体材料には、黄色蛍光体としてY3Al5O12:Ce3+、Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+、(Y,Gd)3Al5O12:Ce3+、Y3Al5O12:Tb3+、Y3Al5O12:Ce3+,Pr3+、チオガレート蛍光体CaGa2S4:Eu2+、α−サイアロン蛍光体Ca-α-SiAlON:Eu2+などがある。
【0048】
緑色蛍光体として、アルミン酸塩蛍光体 BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+, (Ba,Sr,Ca)Al2O4:Eu2+、α−サイアロン蛍光体 Sr1.5Al3Si9N16:Eu2+,Ca-α-SiAlON:Yb2+、β−サイアロン蛍光体β-Si3N4:Eu2+、酸化物蛍光体 シリケート(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+
酸窒化物蛍光体 オクソニトリドシリケート(Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+、オクソニトリドアルミノシリケート(Ba,Sr,Ca)2Si4AlON7:Ce3+、(Ba,Sr,Ca)Al2−xSixO4−xNx:Eu2+(0<x<2)、窒化物蛍光体 ニトリドシリケート蛍光体(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Ce3+、 チオガレート蛍光体SrGa2S4:Eu2+、 ガーネット蛍光体Ca3Sc2Si3O12:Ce3+, BaY2SiAl4O12:Ce3+などがある。
【0049】
橙色蛍光体として、α−サイアロン蛍光体Ca-α-SiAlON:Eu2+などがある。
赤色蛍光体として硫化物蛍光体 (Ca、Sr)AlSiN3:Eu2+、 (Sr,Ca)S:Eu2+,La2O2S:Eu3+,Sm3+、珪酸塩蛍光体 Ba3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+、窒化物または酸窒化物蛍光体 (Ca、Sr)SiN2:Eu2+、 (Ca、Sr)AlSiN3:Eu2+、 Sr2Si5-xAlxOxN8-x:Eu2+(0≦x≦1)などがある。
【0050】
これらの蛍光体材料は粒子材料、蛍光体セラミックス材料として使用することができる。
<実施の形態2>
図5は、実施の形態2に係る表面実装型白色LEDパッケージ50(以下、単に「LEDパッケージ50」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0051】
LEDパッケージ50は、実施の形態1のLEDパッケージ2(図1)とは異なり、1個の青色LED52で構成されている。LEDパッケージ50の蛍光体プレート54は、実施の形態1の蛍光体プレート30と同じ材質であり、光導波部44の形状等も同様の観点から設定されているため、ここでの説明は省略する。
【0052】
青色LED52は、フェイスアップ構造を有したチップ形態のLEDであり絶縁基板56に実装されている。青色LED52のp側電極(不図示)と絶縁基板56に形成されたアノード端子58とは、ボンディングワイヤー60で接続されている。一方、n側電極(不図示)と絶縁基板56に形成されたカソード端子62とはボンディングワイヤー64で接続されている。
【0053】
絶縁基板56には、高熱伝導率材料からなる枠状をしたスペーサ66が重ねて設けられている。そして、スペーサ66の上面に蛍光体プレート54が載置されている。絶縁基板56および蛍光体プレート54とスペーサ66とは、耐熱性の接着剤等を用いて固着されている。
【0054】
青色LEDと蛍光体プレートの搭載基台を構成する絶縁基板56及びスペーサ66は、高熱伝導材料からなり、例えば、Cu、Al、Fe、Au等の金属材料、これらの合金材料や、Al2O3、MgO、Y2O3、ZnO、BN、AlN、SiC等のセラミックス材料、これら混合材料が考えられる。基台に高熱伝導材料を用いることで、蛍光体プレート及び青色LEDで発生した熱を拡散し、温度上昇を抑制することが可能となる。
<実施の形態3>
図6は、実施の形態3に係る表面実装型白色LEDパッケージ80(以下、単に「LEDパッケージ80」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0055】
LEDパッケージ80は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは、蛍光体プレートの全体的な形状が異なる以外は、基本的に、同様の構成である。よって、図6において、LEDパッケージ50と共通する構成部分には同様の符号を付して、その説明については省略する。
【0056】
LEDパッケージ80の蛍光体プレート82は、全体的にドーム形状(半球状)をしている。このような形状としたことにより、LEDパッケージ50よりもワイドな配光曲線を得ることができる。
<実施の形態4>
図7は、実施の形態4に係る表面実装型白色LEDパッケージ90(以下、単に「LEDパッケージ90」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0057】
LEDパッケージ90は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは、蛍光体プレートにおける光導波部の構成が異なる以外は、基本的に同様である。よって、図7において、LEDパッケージ50と共通する構成部分には同様の符号を付して、その説明については省略する。
【0058】
LEDパッケージ50(図5)において、光導波部は全部同じ形状で同じ大きさのものとした。これに対し、LEDパッケージ90における蛍光体プレート92では、高さ(長さ)と先端径の異なる光導波部94,96を組み合わせて用いることとした。
【0059】
このような構成とすることにより、干渉パターンの発生を抑制することが可能となる。
なお、このような光導波部94,96を母材のエッチングにより製作することは困難であるため、本例では、別途制作したものを、方形板状をした本体部98に接着剤により接合することとした。なお、この場合には、光導波部94,96と本体部98とは異なる材質で形成することとしても構わない。例えば、本体部98は、実施の形態1の蛍光体プレート30と同じ材質とし、光導波部94,96は低融点ガラスで形成する等の組み合わせが考えられる。
<実施の形態5>
図8(a)は、実施の形態5に係る表面実装型白色LEDパッケージ100(以下、単に「LEDパッケージ100」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0060】
LEDパッケージ100は、実施の形態2のLEDパッケージ50(図5)とは異なり、複数個の(本例では、2個の)青色LED52A,52Bで構成されている。青色LED52A,52Bは、実施の形態2の青色LED52と同じものである。
【0061】
青色LED52Aのp側電極(不図示)と絶縁基板102に形成されたアノード端子104とは、ボンディングワイヤー60Aで接続されており、n側電極(不図示)と絶縁基板58に形成されたパッド106とはボンディングワイヤー64Aで接続されている。
【0062】
一方、青色LED52Bのp側電極(不図示)とパッド106とは、ボンディングワイヤー60Bで接続されており、n側電極(不図示)と絶縁基板58に形成されたカソード端子108とはボンディングワイヤー64Bで接続されている。
【0063】
以上の構成により、青色LED52Aと青色LED52Bとは、直列接続されている。
絶縁基板102には、絶縁材料からなる枠状をしたスペーサ110が重ねて設けられている。そして、スペーサ110の上面に蛍光体プレート112が載置されている。
【0064】
蛍光体プレート112は、種類の異なる2枚の蛍光体プレート114、116で構成された本体部111と、複数個の光導波部118とを有する。
蛍光体プレート114は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を赤色光に波長変換する。
【0065】
蛍光体プレート116は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を緑色光に波長変換する。
光導波部118は、先端面が半球状をした円柱体からなり、例えば、低融点ガラスで形成することができ、当該光導波部118には、必ずしも、蛍光体を含ませる必要はない。
【0066】
絶縁基板102、蛍光体プレート114、116、および光導波部118は、接着剤によって固着されている。
絶縁基板56および蛍光体プレート54とスペーサ66とは、耐熱性の接着剤等を用いて固着されている。
【0067】
上記の構成からなるLEDパッケージ100では、青色LED52A,52Bから出射される青色光が蛍光体プレート114で赤色光に変換され、蛍光体プレート116で緑色光に波長変換される。そして、赤色光および緑色光と赤色光にも緑色光にも変換されなかった青色光とが混色されて白色光となる。
【0068】
このように、異なる色を発する蛍光体プレートを組み合わせて蛍光体プレートを構成することにより、同じ白色光でも色温度等の異なる多彩な光色を実現できる。
また、光導波部に先端面の形状を半球状にすることにより、光導波部からの光の取り出し効率が向上することとなる。
【0069】
図8(b)に示すのは、上記LEDパッケージ100の変形例に係る表面実装型白色LEDパッケージ101(以下、単に「LEDパッケージ101」と言う。)の概略構成を表した断面図である。
【0070】
LEDパッケージ101は、LEDパッケージ100とは、蛍光体プレートの本体部の構成が異なる以外は、基本的に同じ構成である。よって図8(b)において、LEDパッケージ100と同様の構成部材には同じ符号を付してその説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。
【0071】
パッケージ100(図8(a))の本体部111は、2種類の蛍光体プレートを絶縁基板102の主面と直行する方向に積層して構成した。これに対しLEDパッケージ101の蛍光体プレート119では、短冊状をし、種類の異なる2種類の蛍光体プレート113,115を交互に、絶縁基板102の主面と平行な方向に積層して本体部117構成した。よって、本体部117を、絶縁基板102と直交する方向から見ると蛍光体プレート113,115が交互に並んだストライプ形状をしている。蛍光体プレート113は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を赤色光に波長変換し、蛍光体プレート115は、青色LED52A,52Bから出射される青色光を緑色光に波長変換する。
【0072】
上記構成からなるLEDパッケージ101において、白色光が得られるしくみは、LEDパッケージ100と同様なので、その説明については、省略する。
なお、赤色発光する蛍光体は、これよりも波長の短い緑色発光する蛍光体からの光を吸収し、吸収された分が損失となる。
【0073】
そこで、図8(a)に示す本体部111や図(b)に示す本体部117のように、両蛍光体プレートを、緑色光が赤色発光する蛍光体をできるだけ通過しないような配置とすることにより、上記損失を低減することができる。
【0074】
この観点から、図8(b)に本体部117においては、蛍光体プレート113と蛍光体プレート115の間に、少なくとも緑色光を反射する反射層を形成することにより、一層上記の損失を低減することができる。
【0075】
なお、上記変形例に関わらず、角柱形をし赤色発光する蛍光体柱と、同じく角柱状をし緑色発光する蛍光体柱とを、絶縁基板102の主面と垂直な方向から見て、市松模様になるように配して、蛍光体プレートの本体部を形成することとしても構わない。なお、その場合の断面は、図8(b)に示す断面図と同様に現れる。
<実施の形態6>
図9は、実施の形態6に係る表面実装型白色LEDパッケージ120(以下、単に「LEDパッケージ120」と言う。)における、白色LED122およびその近傍の概略構成を示す断面図である。
【0076】
LEDパッケージ120は、実施の形態1のLEDパッケージ2において、白色LED8(図1、図2)に代えて、白色LED122を用いたものである。LEDパッケージ120は、白色LEDの構成が異なる以外は、基本的には、LEDパッケージ2と同様の構成である。
【0077】
白色LED8(図2)が、蛍光体プレート30を青色LED18に対し間隔を空けて配置したのに対し、白色LED122は、蛍光体プレート124を青色LED126に密接して配置させている。
【0078】
青色LED126は、絶縁基板4側から、p−GaN系半導体層128、InGaN系量子井戸発光層130、n−GaN系半導体層132がこの順に積層された半導体多層膜構造を有する。
【0079】
p−GaN系半導体層128の下面には、p側電極134が形成されており、n−GaN系半導体層132の一部が露出した部分には、n側電極136が形成されている。
前記半導体多層膜の側面には、窒化シリコンからなる絶縁膜138が形成されている。
【0080】
p−GaN系半導体層128の厚みは200[nm]、n−GaN系半導体層132の厚みは6[μm]であり、青色LED126の平面視でのサイズは1mm角である。なお、p−GaN系半導体層128、発光層130、n−GaN系半導体層132は、不図示のYAG系基板上にバッファ層(不図示)を介して、GaN系多層膜をエピタキシャル成長により形成したものである。なお、蛍光体プレート124は、前記YAG系基板の青色LED126が形成されたのと反対側がエッチングされて円柱状をした光導波部140が形成されてなるものである。
【0081】
p側電極134は、金(Au)バンプ142によって、絶縁基板4に形成された配線パターン144と接合されており、n側電極136は、金(Au)バンプ146によって、絶縁基板4に形成された配線パターン148に接合されている。
【0082】
配線パターン144と配線パターン148とを介して青色LED126に給電すると発光層130からは、実施の形態1の青色LED18(図2)と同様のスペクトルを有する青色光が出射される。
【0083】
蛍光体プレート124は、青色光の入射面が平坦面になっている以外は、材質も含め、実施の形態1の蛍光体プレート30と同様の構成である。
ただ、蛍光体プレート124の光入射面(下面)と青色LED126の光出射面(n−GaN系系半導体層132の上面)とを密接させているため、実施の形態1の場合と同様に、蛍光体プレート124の温度上昇による変換効率の低下を防止することが可能となる。
【0084】
また、本実施例の白色LED122においては、青色LED126と蛍光体プレート124が一体形成されていることから、これを一素子として扱うことが可能となり、生産性、製品の小型、薄型化の点で優位である。
【0085】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記した形態に限らないことは、勿論であり、例えば、以下の形態とすることもできる。
(1)上記実施の形態の蛍光体プレートは、YAGセラミックスをホスト材料とし、これにCeをドーピングした蛍光体セラミックスで形成したが、これに限らず、蛍光体プレートは、以下に記す材料で形成することとしても構わない。
【0086】
蛍光体プレートを形成する材料としては、セラミックス材料としてY3Al5O12:Ce3+など上述の蛍光体材料をプレート状に焼結したもののほか、Al2O3の単結晶とCe3+を含むY3Al5O12の単結晶が単結晶を維持したまま、連続的かつ3次元的に相互に絡み合って形成され、境界部分にアモルファス層のない融液成長複合セラミックス材料などがある。
【0087】
また、SiO2−B2O3系ガラス、SiO2−RO(ROはMgO、CaO、SrO、BaOを表す)系ガラス、SiO2−B2O3−R2O(R2OはLi2O、Na2O、K2Oを表す)系ガラス、SiO2−B2O3−Al2O3系ガラス、SiO2−B2O3−ZnO系ガラス、ZnO−B2O3系ガラスのガラス粉末と上述の蛍光体材料の混合物を焼結するとガラス中に蛍光体材料を分散させた複合ガラス材料などがある。例えば、材料を低温で焼成したい場合、比較的容易に軟化点を低下させることが可能なZnO−B2O3系ガラス、SnO−P2O5系ガラスを選択すればよく、複合ガラス材料の耐候性を向上させたい場合は、SiO2−B2O3系ガラス、SiO2−RO系ガラス、SiO2−B2O3−R2O系ガラス、SiO2−B2O3−Al2O3系ガラス、SiO2−B2O3−ZnO系ガラスを選択すればよい。
【0088】
さらに、SiO2、Al2O3、Y2O3、GeO2、Gd2O3、Li2O、CaO+MgO+Sc2O3、Ce2O3などの混合材料を溶融、冷却によりCe3+ガーネット結晶を析出してなる結晶化ガラス材料などでもよい。
【0089】
また、Y3Al5O12の単結晶にCe3+をドープした酸化物単結晶材料でもよい。単結晶材料を用いる利点として、セラミックス基板を用いる場合に比べて、実施の形態6に示したような単結晶基板に高品質のLED構造をエピタキシャル成長することができる。
(2)上記実施の形態では、青色LEDと黄色蛍光体との組み合わせ、または青色LEDと緑色蛍光体および赤色蛍光体との組み合わせにより、白色光を出射するLEDパッケージを構成した。すなわち、青色光からなる1次光とその補色である黄色光からなる2次光により白色光を合成する例を示した。照明用光源として使用する場合は、色度座標上に示される黒体軌跡上の白色光を合成することが好ましいからである。
【0090】
しかしながら、1次光、2次光及びその合成光はこれらの色に限定されるものではなく、他の光色の組み合わせで白色光を合成することも可能であり、また、白色光以外を合成することも可能である。かかる場合、色度座標上の広範囲の光色を合成することが可能となり、表示用光源にも使用することができる。
(3)上記実施の形態では、図10(a)に示すように、円柱状をした光導波部44を、平面視で、縦横に等間隔でマトリックス状に配列することとしたが、光導波部の配列形態はこれに限らず、例えば、光導波部150、光導波部152を図10(b)、(c)に示すように配列することとしても構わない。
【0091】
また、円柱状に限らず、図10(d)、(e)に示すように、四角柱状をした光導波部154,156としても、図10(f)、(g)に示すように、三角柱状をした光導波部158,160としても、あるいは、図10(h)に示すように六角柱状をした光導波部162としても構わない。
【0092】
図10(e)、(f)のように光導波部が連続した構造においては、光導波部の外壁で構成される(仕切られる)空間が形成される。光導波部から漏れた光はかかる空間内で反射を繰り返しながら導波された後、その開口から出射されることとなる。したがって、外壁で構成される空間が光導波部と同様の効果を有する。
(4)光導波部の先端面形状は、平坦面(図2、図5、図6、図7、図9)、半球面(図8)に限らず、例えば、円錐形状とすることもできる。円錐形状とすることにより、光導波部の各々において、一層ワイドな配光曲線を実現することができる。その結果、照射面における色むらがさらに抑制されることとなる。
【産業上の利用可能性】
【0093】
本発明に係る半導体発光装置は、例えば、自動車に搭載される各種照明装置(ヘッドライト、フォグランプ、インパネバックライト、車内灯など)の光源、カメラ用フラッシュ、液晶モニター用バックライトユニットなどの光源として好適に利用可能である。
【符号の説明】
【0094】
2,50,80,100,101,120 表面実装型白色LEDパッケージ
18,126 青色LED
30,54,82,92,112,119,124 蛍光体プレート
42 出射部
39,111,117 本体部
44,94,96,118,140,150,152,154,156,158,160,162 光導波部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
可視域にピーク波長を有する1次光を出射する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から入射された1次光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光に変換し、当該2次光を波長変換されなかった1次光と共に出射する波長変換部材とを有し、
前記波長変換部材は、
前記半導体発光素子の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部と、当該本体部の光出射側に突出形成された柱状の突起からなる複数個の光導波部とを備え、
当該光導波部各々の先端面から前記1次光と前記2次光の混色光が出射されることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項2】
前記光導波部の先端径が1[μm]以上、100[μm]以下の範囲にあり、
前記光導波部の長さが前記先端径の3倍以上、20倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記光導波部の先端径が3[μm]以上、30[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記光導波部の先端径が5[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項5】
前記光導波部の長さが前記先端径の5倍以上、10倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項6】
前記光導波部各々の隣接する光導波部との間隔が1[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項7】
前記光導波部各々の隣接する光導波部との間隔が3[μm]以上、8[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項8】
前記波長変換部材が、セラミックス材料、複合ガラス材料、結晶化ガラス材料、酸化物単結晶材料のいずれか一つからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項9】
前記半導体発光素子の光射出面と前記波長変換部材の光入射面とが密接させてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項10】
前記本体部がドーム状をしており、前記複数の光導波部が放射状に配されている請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項11】
長さと先端径の異なる光導波部が混在している請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項12】
前記波長変換部材が、2次光の波長が異なる少なくとも2種類の変換部材の複合体である請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項13】
前記光導波部の先端面が半球状または円錐状をしている請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項14】
前記光導波部が、円柱状、四角柱状、三角柱状、および六角柱状の内のいずれかの形状をしている請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項1】
可視域にピーク波長を有する1次光を出射する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から入射された1次光の一部を、その波長よりも長波長で可視域にピーク波長を有する2次光に変換し、当該2次光を波長変換されなかった1次光と共に出射する波長変換部材とを有し、
前記波長変換部材は、
前記半導体発光素子の出射光路を跨ぐ状態に配置された本体部と、当該本体部の光出射側に突出形成された柱状の突起からなる複数個の光導波部とを備え、
当該光導波部各々の先端面から前記1次光と前記2次光の混色光が出射されることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項2】
前記光導波部の先端径が1[μm]以上、100[μm]以下の範囲にあり、
前記光導波部の長さが前記先端径の3倍以上、20倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記光導波部の先端径が3[μm]以上、30[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記光導波部の先端径が5[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項5】
前記光導波部の長さが前記先端径の5倍以上、10倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項6】
前記光導波部各々の隣接する光導波部との間隔が1[μm]以上、10[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項7】
前記光導波部各々の隣接する光導波部との間隔が3[μm]以上、8[μm]以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項8】
前記波長変換部材が、セラミックス材料、複合ガラス材料、結晶化ガラス材料、酸化物単結晶材料のいずれか一つからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項9】
前記半導体発光素子の光射出面と前記波長変換部材の光入射面とが密接させてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項10】
前記本体部がドーム状をしており、前記複数の光導波部が放射状に配されている請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項11】
長さと先端径の異なる光導波部が混在している請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項12】
前記波長変換部材が、2次光の波長が異なる少なくとも2種類の変換部材の複合体である請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項13】
前記光導波部の先端面が半球状または円錐状をしている請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項14】
前記光導波部が、円柱状、四角柱状、三角柱状、および六角柱状の内のいずれかの形状をしている請求項1に記載の半導体発光装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公表番号】特表2011−515848(P2011−515848A)
【公表日】平成23年5月19日(2011.5.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−500364(P2011−500364)
【出願日】平成21年3月16日(2009.3.16)
【国際出願番号】PCT/JP2009/001154
【国際公開番号】WO2009/119034
【国際公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成23年5月19日(2011.5.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年3月16日(2009.3.16)
【国際出願番号】PCT/JP2009/001154
【国際公開番号】WO2009/119034
【国際公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]