JP2005229136A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の波長変換部が設けられた発光装置では、色ムラが発生し、また、波長変換部から半導体発光素子側へ放射される光は放射光として利用できず、変換効率が低くなる問題点を生じていた。
【解決手段】 本発明により、基体４には、光照射方向制限部４ａと、その周囲に反射部４ｂが設けられ、波長変換部５は光照射方向制限部４ａと反射部４ｂの一部とを覆う適宜位置に設けられ、波長変換部５で基本波長光から波長変換光へと波長変換が行なわれた光のうちの、波長変換部５を透過し前面側に放射される波長変換光は直射光とし、波長変換部５の内面側に放射される波長変換光は反射部４ｂでこの発光装置１の照射方向に向け反射させることで双方を出力光として取出し可能な構成としたＬＥＤランプとしたことで、波長変換部５からの光に対する利用率を向上させ課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、発光装置）に関するものであり、詳細には、発光ダイオードのチップ（以下、半導体発光素子）からの発光に対して波長変換部を用いることで異なる発光色を得ることを目的とする発光装置、および、その製造方法に係るものである。

従来の波長変換部を用いたＬＥＤランプ（発光装置）としては、青色の発光を行なうＬＥＤチップと、青色光を黄色に変換するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体とを組合わせた白色発光のＬＥＤが知られている、また、紫外光の発光を行なうＬＥＤチップと白色発光の蛍光体とを組合わせる白色発光のＬＥＤランプも提案されている。（例えば特許文献１参照）
特開平１０−２４２５１３号公報

しかしながら、前記した従来の構成のＬＥＤランプ（発光装置）においては、例えば透光性封止材料に蛍光体を均一に分散し凹部に注入したときにも、透光性封止材料と蛍光体との比重差により透光性封止材料の硬化までに蛍光体が沈殿し、分散が不均一となって発光色に色ムラを生じる問題点を生じている。

また、例え色ムラを生じないように蛍光体を均一に分散させることが可能であったとしても、蛍光体の添加量が一定である以上はＬＥＤチップ（半導体発光素子）に印加する電流値の増減により、放射される青色光の光量の変動により、電流値の増加に従い発光装置の発光色が黄色寄りから青色寄りへと変化するのは避けられず、色再現性に劣るものとなる問題点も生じている。

特に紫外線寄りの成分が多い光を放射する半導体発光素子を採用するときに、このように蛍光体を透過して得られる白色光を利用する構成では、蛍光体の添加量が少ない場合には、蛍光体に当接せず透過する紫外線の割合が増え、変換効率が低く暗い発光装置となると共に、生物に対して有害とされる紫外線が発光素子外部に放射される問題点を生じている。

また、蛍光体の添加量を増やせば、確かに紫外線に対する補足率は向上し、発光素子の外部に放射される紫外線の量は低減させることができるが、蛍光体自体は透明度が低く、このために封止材料としての総合の透過率が低下し、結果的には何れにしても明るい発光装置を得ることができないと言う問題点を生じ、この点の解決が課題とされている。

本発明は、上記した従来の課題を解決するための具体的手段として、基体と、前記基体に設置される半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放射された基本波長光を吸収し、これよりも波長の長い波長変換光に変換する波長変換部を備えた発光装置において、前記波長変換部は膜状部であり、前記発光素子から波長変換部に到達した光のうち、発光素子側となる背面側には前記波長変換部で波長が変換されて反射される背面反射波長変換光と、前記波長変換部で波長が変換されず背面に反射される背面反射基本波長波を反射するとともに、前面側には前記波長変換部で波長が変換されて透過する前面透過波長変換光を透過し、前記半導体発光素子から放射し前記波長変換部に到る光路外で波長変換部の背面側に位置し、前記波長変換部よりも膜厚の厚い第二波長変換部を備えることを特徴とする発光装置を提供することで課題を解決するものである。

本発明によれば、波長変換部で波長が変換された光のうち、前面に放射された前面透過波長変換光と前面透過基本波長光、および、背面に放射された背面反射波長変換光背面反射基本波長光の双方を発光装置の出力光として有効に利用できるものとして、この種の発光装置の効率向上に極めて優れた効果を奏する。

この構成で有れば、波長変換部は液体状の透明封止部材中に蛍光体が分散されたものとして形成され、後の硬化により固定されるものではないために、樹脂中の蛍光体粒子が比重差により沈降し不均一な分散となる問題は生じ得ない。また、波長変換部の反射率などは半導体発光素子の発光強度に依存するものではないので、半導体発光素子に印可する電流値により発光色がずれる問題も生じにくいものとなり、この種の発光装置の性能向上に極めて優れた効果を奏する。

また、半導体発光素子が（近）紫外発光するものである場合、反射部側にも第二の波長変換部を設けることで、波長変換部で変換されなかった（近）紫外線も可視光に変換するものとして発光効率を一層に高め、一層の発光効率向上を可能とすると共に、紫外線の外部への漏洩量も少ないものとして、安全性の向上にも極めて優れた効果を奏するものとなる。

つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１に示すものは発光装置１の発光素子である半導体発光素子２の断面図であり、この半導体発光素子２は窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体で形成され、透明基板２ａにｎ型半導体層２ｂ、および、ｐ型半導体層２ｃを積層し、前記透明基板２ａを上面に向けて、この透明基板２ａを透過させて光を取り出すフリップチップ構造としている。

そして、前記ｎ型半導体層２ｂに接続されたｎ型オーミック電極２ｄ、および、ｐ型半導体層２ｃに接続されたｐ型オーミック電極２ｅは、サブマウント基板３に一対として設けられた電極３ａに接続され、前記半導体発光素子２に対する給電が可能な構成とされている。

上記説明の形態とした半導体発光素子２は、前記オーミック電極２ｄ、２ｅを形成するにあたり材料に光反射率の高い金属素材を採用することができ、透光性電極を半導体層２ｂ、２ｃ上に設け、電極面２ｄ、２ｅ側から光を取り出す周知の構造に比べて光量が向上するという利点がある。但し、本発明はフリップチップ構造に限定するものでなく、周知の構造の半導体発光素子２であっても実施可能である。

前記半導体発光素子２から放射される光の波長は、蛍光体の励起に適する波長領域である３７０nmから４２０nmの範囲であることが好ましい。また、半導体発光素子２は上記に説明した窒化ガリウム系化合物半導体以外にも、例えば、酸化亜鉛(ZnO)系、硫化亜鉛(ZnS)系、セレン化亜鉛(ZnSe)系、炭化シリコン(SiC)系化合物で発光層を形成したものであっても良い。

図２は、本発明に係る発光装置１の第一実施形態を示すものであり、この発光装置１は、サブマウント基板３に取付けられた半導体発光素子２と、前記半導体発光素子２を収納するための基体４と、前記半導体発光素子２からの光を白色光に変換する波長変換部５と、前記半導体発光素子２を外気の湿度などから保護するための透光性封止材料８とが用いられて構成されるものである点は従来例のものと同様である。

ここで本発明においては、前記基体４に光照射方向制限部４ａと、反射部４ｂとを設けるものであり、前記光照射方向制限部４ａは基体４のほぼ中央に略ホーン状として設けられ、前記反射部４ｂは前記光照射方向制限部４ａを取り囲む凹曲面状として設けられている。尚、前記光照射方向制限部４ａと反射部４ｂとの構成の詳細については後に説明する。また、前記基体４には、前記サブマウント基板３に取付けられた半導体発光素子２に電流を供給するための電極４ｃなども従来例と同様に設けられている。

また、本発明では前記光照射方向制限部４ａを覆うように前記波長変換部５が設けられている。図２においてはこの波長変換部５の形成形態の一例として、前記光照射方向制限部４ａおよび反射部４ｂを覆う透明窓板６が設けられ、この透明窓板６の半導体発光素子２に面する側の面、即ち、内面側に前記波長変換部５を形成したものを示した。この波長変換部５は例えばシルクスクリーン印刷、ポティングなど適宜な手段により成膜されている。

ここで、前記光照射方向制限部４ａと反射部４ｂとの構成、および、透明窓板６への波長変換部５が塗布される範囲について説明を行なえば、先ず、前記光照射方向制限部４ａは半導体発光素子２から原理的には１８０゜の範囲として放射される光を適宜な角度に制限すべく、照射軸Ｘに対する開き角αを１０〜４５゜とした直線のホーン状として設けられている。

そして、前記透明窓板６には、前記半導体発光素子２からの光が前記光照射方向制限部４ａにより制限される範囲に波長変換部５が成膜されている。このときに前記光照射方向制限部４ａに、例えばアルミニウム、銀などの蒸着、硫酸バリウム、酸化マグネシウムなどの塗布により光を効率よく反射する反射膜７を形成しておけば、半導体発光素子２から放射される光のほぼ全ては波長変換部５に達するものとなり、異なる波長、例えば白色光に変換される。

このときに、前記波長変換部５は、半導体発光素子２からの光により励起されたときにはほぼ全方向に向かう光を発するものとなる。従って、波長変換部５が膜状として透明窓板６に塗布されている状態では、透明窓板６を透過して発光装置１本来の照射方向に向かい放射されるものと、前記半導体発光素子２側、即ち内面側に放射される光とを生じるものとなる。

即ち、従来例のように照射方向に向かい放射される光のみを発光装置１の放射光として使用する構成では、波長変換部５において変換が行なわれた、例えば白色光の約半分が発光装置１からの放射光として利用可能となるに過ぎないものとなる。

上記に鑑みて本発明では前記光照射方向制限部４ａを周囲から取囲む反射部４ｂを設けるものであり、この反射部４ｂは前記波長変換部５から内面側に向かい放射された光を反射する。よって、反射部４ｂで反射が行なわれた光は透明窓板６の前記波長変換部５が塗布されていない透明な部分を透過し、発光装置１の放射光として利用可能なものとなり、本発明によれば波長変換部５の両面からの光が利用可能となる。尚、反射部４ｂにおいても上記に説明した反射膜７を設けることは自在である。

上記の説明からも明らかなように、前記反射部４ｂは専らに波長変換部５からの光を反射することを目的として設けられるものであるので、前記半導体発光素子２からの直射光が入射すると、その直射光中に含まれる紫外線なども反射し使用者に到達するものとなり好ましくない。よって、前記光照射方向制限部４ａとの位置関係を適宜なものとして半導体発光素子２からの直射光は反射部４ｂに達しないものとしている。

また、前記半導体発光素子２と波長変換部５とは、お互いの距離が離れるほど半導体発光素子２からの光束は面積が拡がり、波長変換部５に大きな面積が要求され発光装置１全体が大型化する。また、半導体発光素子２からの光束の面積が拡がることは、波長変換部５に対する励起力も少なくなり輝度が低下する。

よって、本発明では前記半導体発光素子２と波長変換部５との距離を１０mm以下がより好ましく、この実施形態では半導体発光素子２の表面と波長変換部５との距離を２mmとし、前記開き角αは１５゜として設定し、発光装置１の大きさを適正なものとしている。尚、透明窓板６に対する波長変換部５の面積比は、２５〜７５％とすることが好ましく、この範囲となるように、半導体発光素子２と波長変換部５との距離、反射部４ｂの大きさ、透明窓板６の大きさなどを設定すればよい。

また、本発明のように波長変換部５からの光の両面に放射されるものを使用する場合、波長変換部５を透過する光、即ち、透明窓板６側に放射される光は膜厚が厚くなるほど光量が減少する傾向にあり、逆に、半導体発光素子２側に放射される光はある程度までは膜厚が厚くなるほど光量が増加する傾向にある。

ここで、この実施形態においては、前記波長変換部５が、スクリーン印刷、ディスペンサーによるポッティングなど、膜厚を正確に制御することが可能な手段で透明窓板６上に形成されているものであるので、波長変換部５を透過する光と半導体発光素子２側に放射される光とを加算した値が最大となるように膜厚制御を行ない、発光装置１に最大光量が得られるようにするのも容易である。

尚、波長変換部５を構成するための蛍光体としては、例えば、近紫外光を赤色に変換する酸化イットリウム系蛍光体、橙色から緑色に変換する硫化亜鉛系蛍光体、青色に変換するアルミン酸系蛍光体、ハロりん酸系蛍光体など、および、これらを混合した三波長型白色蛍光体などが採用可能である。

そして、基体４の光照射方向制限部４ａおよび反射部４ｂと、透明窓板６との間に生じる空間には、例えば透明シリコン樹脂、オキシナイトライドガラス等の低融点ガラスなど透明封止部材８が封入されて前記半導体発光素子２の封止が行なわれる。このときに、前記半導体発光素子２は近紫外線もしくは紫外線を放射するものであるので、前記透明封止部材８は紫外線に対し耐久性の高いものが好ましい。

よって、前記半導体発光素子２が放射する出力、あるいは、波長範囲などによっては、例えば、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを封入しても良く、更にいえば、上記した空間を排気して真空の状態としても良いものであり、要は半導体発光素子２の封止が行なえ、且つ、紫外線で劣化することなく光を透過させられるものであれば、気体状、液体状、固体状など、どの様なものを選択するのも自在である。

図３は本発明に係る発光装置１の第二実施形態であり、前の第一実施形態では波長変換部５は半導体発光素子２からの直射光を反射しないものとして説明を行なったが、前記波長変換部５を構成する蛍光体は白色のものが多く、多少の紫外線の反射を生じることは予想できるものである。

この場合、前の第一実施形態においては、前記反射部４ｂは白色、もしくは、反射膜７が形成されたものであったので、波長変換部５で反射が行なわれた紫外線は反射部４ｂで再度反射し、使用者などに到達する可能性を生じるものであり、また、波長変換部５で紫外線のまま反射が行なわれた場合には、以降に可視光に変換されることなく、光量的にも幾分かの損失となるものであった。

よって、この第二実施形態では、前記反射部４ｂに第二の波長変換部９を設けるものであり、この第二の波長変換部９を構成する蛍光体も波長変換部５と同じほぼ白色のものが採用され、よって、波長変換部５で変換された可視光（白色光）に対しては特に反射効率が低下することはない。

また、第二の波長変換部９は、波長変換部５のように透過側の光を利用することがないので透過率は考慮する必要はなく、専らに波長変換効率を高めるために必要充分な膜厚とすれば良い、発明者のこの発明を成すための試作、検討の結果では、第二の波長変換部９は波長変換部５の１．５倍〜３倍の膜厚として構成するときが変換効率の面から効果的であった。

以上の構成とした本発明の発光装置１の作用、効果を第一実施形態の例で示すものが図４であり、図中に符号Ｓで示す曲線は波長変換部５を透過した光量であり、図中に符号Ａで示す曲線は反射部４ｂからの光量であり、符号Ｔで示す曲線は両曲線Ｓ、Ａの総合値を示すものである。尚、図４においては、波長変換部５が基体４の開口部に占める面積の割合で示してある。

ここで、総合の光量の曲線Ｔを観察すると、波長変換部５の面積の割合の増減により影響を受けるものではあるが、常時に曲線Ｓの数値の１．５倍以上の光量が確保されるものとなっており、即ち、本発明により波長変換部５からの透過光と反射光とを共に発光装置１からの照射光として使用できるものとしたことで、発光装置１としては１．５倍以上の光量増加が期待できるものとなるのである。

尚、本発明の実際の実施に当たって、例えば、光照射方向制限部４ａ、反射部４ｂ、波長変換部５の形状などについては、図１に示したものから適宜の変更を行うことは自在である。図５に示すものは光照射方向制限部４ａ、および、反射部４ｂの形状に変更を行った第三実施形態を示すものであり、図６は波長変換部５の形状に変更を行った第四実施形態を示すものである。

ここで、前の第一、第二実施形態では光照射方向制限部４ａを波長変換部５に近づけることで波長変換部５を小径で良いものとし、反射部４ｂからの光に対しても充分な光路が確保できるように図られているが、そのようにすることで、光照射方向制限部４ａと反射部４ｂとの間には鋭角状に上方に向かい突出する接合部４ｄを生じ、基体４を形成するときの金型からの型離れが悪くなるなど生産性が低下するものとなっていた。

そこで、図５に示す第三実施形態においては、上方に向かい突出する形状となる接合部４ｄを生じない形状に基体４を形成するものであり、基本的には、先ず、必要最低限の高さに光照射方向制限部４ａを設定し、そしてその上方に重ねるように反射部４ｂを形成する。

このようにすることで、基体４は高さ方向に大型化するものとなると共に、波長変換部５は半導体発光素子２からの直射光のモレを防ぐために、第一、第二実施形態のものに比べて大きめに形成しなければならず光量は幾分か低減するものとなるが、基体４の形成は容易となり生産性が向上してコストダウンなどが可能となる。

図６に示す第四実施形態においては、透明封止材８を硬化させる際に、光照射方向制限部４ａの上方に軸を合わせて円錐状の凹部を形成し、この凹部に蛍光体を適宜な手段で塗布することで、半導体発光素子２に向かい円錐状に突出する波長変換部５を形成する。

このようにすることで、半導体発光素子２からの光の内の波長変換部５を透過するものは、前記波長変換部５を斜めに透過するものとなり、実效的には波長変換部５は膜厚がが厚いものとなって、例えば紫外光から可視光への変換効率が向上する。また、波長変換部５の形状により背面からの反射部４ｂへ向かう反射も効率よく行われるものとなり、光量の増加が期待できるものとなる。

図７および図８は、本発明に係る発光装置１の製造方法を工程の順に示すものであり、先ず、図７（Ａ）は基体４の形成工程であり、前記半導体発光素子２に給電を行うための導電部４ｃを含み、金型による樹脂成形を行うことで、光照射方向制限部４ａ、反射部４ｂ、接合部４ｄなど必要部位を形成する。

ついで、図７（Ｂ）に示すように、前記導電部４ｃに半導体発光素子２のダイマウントを行い、前記半導体発光素子２に対して外部からの給電を可能とする。尚、上記図７（Ａ）〜図７（Ｂ）に示す工程は図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すように、予めに導電部４ｃに半導体発光素子２をダイマウントした状態としておき、その後に金型Ｄ１、Ｄ２を用いて前記導電部４ｃを含み樹脂成形を行い、光照射方向制限部４ａ、反射部４ｂ、接合部４ｄを含む基体４を形成するものとしても良い。

図７（Ｃ）は、光照射方向制限部４ａ、および／又は、反射部４ｂに対する反射膜７、若しくは、第二の波長変換部９の形成工程を示す（図示は反射膜７の場合で示す）ものであり、アルミニウム、銀などで鏡面処理を成す場合には真空蒸着など適宜な手段により光照射方向制限部４ａ、反射部４ｂに付着させ、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、蛍光体など微粉末状である場合で有れば、適宜なバインダーに拡散した状態とし塗装手段などにより付着させればよい。尚、本工程は図７（Ａ）の工程の直後に行っても良いものである。

図７（Ｄ）は、封止工程であり、上記説明のように半導体発光素子２がマウントされ、反射膜７或いは第二の波長変換部９が形成された基体４の光照射方向制限部４ａ、反射部４ｂなどの凹部には、硬化が行われる前の液状のエポキシ樹脂など透明封止部材８の適量が注入され、上方を波長変換部５が形成された透明窓板６で覆われた後に加熱などにより硬化が行われる。

尚、前記透明窓板６を用いず、注入され硬化が行われた後の透明封止部材８の表面に直接に蛍光体をシルクスクリーン印刷、ポッティングなど適宜な手段により所定の寸法、形状、位置として付着させ波長変換部５を形成するものとしても良く、この場合には、再度、前記波長変換部５を覆い透明封止部材８を注入し硬化させれば、波長変換部５に剥離などが生じるのを保護することができる。

本発明に係る発光装置の要部である半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明に係る発光装置の第一実施形態を示す断面図である。 同じく本発明に係る発光装置の第二実施形態を示す断面図である。 本発明に係る発光装置の作用を示すグラフである。 同じく本発明に係る発光装置の第三実施形態を示す断面図である。 同じく本発明に係る発光装置の第四実施形態を示す断面図である。 本発明に係る発光装置の製造方法を工程の順に示す説明図である。 同じ製造方法における異なる工程順の例を示す説明図である。

符号の説明

１……発光装置
２……半導体発光素子
３……サブマウント基板
４……基体
４ａ……光照射方向制限部
４ｂ……反射部
４ｃ……導電部
４ｄ……接合部
５……波長変換部
６……透明窓板
７……反射膜
８……透明封止部材
９……第二の波長変換部

Claims (9)

1. 基体と、前記基体に設置される半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放射された基本波長光を吸収し、これよりも波長の長い波長変換光に変換する波長変換部を備えた発光装置において、
   前記波長変換部は膜状部であり、前記発光素子から波長変換部に到達した光のうち、発光素子側となる背面側には前記波長変換部で波長が変換されて反射される背面反射波長変換光と、前記波長変換部で波長が変換されず背面に反射される背面反射基本波長波を反射するとともに、前面側には前記波長変換部で波長が変換されて透過する前面透過波長変換光を透過し、
   前記半導体発光素子から放射し前記波長変換部に到る光路外で波長変換部の背面側に位置し、前記波長変換部よりも膜厚の厚い第二波長変換部を備える、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記波長変換部に適宜な間隔を設けて配置された前記半導体発光素子からの光を、前記波長変換部に集光して照射させるための光照射方向制限部と、前記背面反射波長変換光と、前記背面反射基本波長光とをこの発光装置の照射方向に反射させる光反射部とを有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 基体と、前記基体に形成された凹部に設置される半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放射された基本波長波を吸収してこれより波長の長い波長変換光に変換する波長変換部を備え、
   前記波長変換部は、前記凹部の開口部を部分的に覆い、かつ、前記半導体発光素子より発して前記波長変換部に到達した光のうち、前記波長変換部の前面に透過される前面透過波長変換光が取り出し可能な膜厚の膜状に形成されて成り、
   前記凹部は、少なくとも一部に、前記波長変換部で波長が変換されて背面に反射される背面反射波長変換光と、前記波長変換部で波長が変換されず背面に反射される背面反射基本波長光のうち少なくともどちらか一方を前記波長変換部によって覆われていない前記開口部より取出すための光反射部が形成されている、ことを特徴とする発光装置。
4. 前記波長変換部は、前記基体の略中央部に設けられた光照射方向制限部の底面に設置された前記半導体発光素子の表面から１０mm以下の間隔を設け、かつ、前記光照射方向制限部を覆うようにして設けられていることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
5. 前記波長変換部は、前記半導体発光素子から放射された光により励起され発光する蛍光剤であることを特徴とする請求項３から請求項４の何れかに記載の発光装置。
6. 前記半導体発光素子の前方に設けられる前記波長変換部は、前記基体に設けられた前記光照射方向制限部および反射部とが構成する開口面積の２５〜７５％の比率として形成されていることを特徴とする請求項４から請求項５の何れかに記載の発光装置。
7. 電極と半導体発光素子との間に電気的接触を得る工程と、基体を形成する工程と、基体内を透明樹脂で封止する工程と、波長変換部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の発光装置の製造方法。
8. 前記波長変換部を形成する工程は、透明窓板材上に蛍光体を含む樹脂をポッティング若しくはシルクスクリーン印刷により所定の膜厚の蛍光体層を作成する工程を含むことを特徴とする請求項７記載の発光装置の製造方法。
9. 前記波長変換部を形成する工程は、蛍光体層を基体内を封止する透明封止部材上または透明封止部材内に形成する工程であることを特徴とする請求項７記載の発光装置の製造方法。

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