JP2008103599A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全光束の量を改善するとともに、量産時における製品ごとの輝度及び全光束のばらつきを低減する。
【解決手段】ＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２の表面に形成されＬＥＤ素子２から発せられた光により励起されると波長変換光を発する蛍光体３２及びこの蛍光体３２と母体が共通する拡散体３３を含有する蛍光拡散層３と、を備え、蛍光拡散層３内における蛍光体３２と拡散体３３の分布状態を同じようにすることができ、蛍光拡散層３に含有される蛍光体３２と拡散体３３の重量％等の濃度と配合比を変化させることで、蛍光体３２と拡散体３３の分散制御を簡単容易に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の表面に蛍光体を含有する層が形成された発光装置に関する。

従来から、紫外光、青色光等を発するＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子から発せられる光により励起され波長変換光を発する蛍光体と、の組合せにより白色光を得る発光装置が知られている。このような発光装置としては、ＬＥＤ素子を封止する透明樹脂中に蛍光体を分散させたり沈降させるものが公知である。また、ＬＥＤ素子の表面に蛍光体を含む蛍光体層を形成して白色光を得る発光装置も知られている。この構成によれば、透明樹脂を含めた装置全体でなく素子単位で白色光を実現することができる。

この種の発光装置として、ＬＥＤ素子の表面にナノ粒子及び蛍光体粒子を含む層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ナノ粒子としては金属酸化物、窒化物、ニトリドシリケート等を用いることができ、蛍光体粒子としてはイットリウム・アルミニウム・ガーネット、アルミン酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩等を用いることができるとされている。また、ナノ粒子は、層を構成する材質より屈折率が大きく、ＬＥＤ素子から発せられる光の波長より小さい直径を持ち、発光された光を実質的に散乱させないとされている。
特開２００４−１５０６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発光装置では、ナノ粒子による光の散乱効果がないため、ＬＥＤ素子から発せられる波長の光については、蛍光体粒子による拡散作用を得ることのできる波長変換光に比して、拡散されずに取り出されることになる。これにより、装置から取り出される光について、輝度が大きいものの全光束が不十分になるという問題点がある。この問題点は、ＬＥＤ素子の表面から出射される光束密度が高くなるほど顕著となる。

また、ナノ粒子と蛍光体粒子が別個の材料で比重が異なっているために、ナノ粒子と蛍光体粒子のうち比重が小さいものが蛍光体層内の上側に多く分散され、比重の大きいものが蛍光体層内の下側に多く分散される傾向がある。これにより、蛍光体層内における分散状態を制御することが困難であり、量産時には製品ごとに輝度及び全光束がばらつくという問題点がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、全光束の量を改善するとともに、量産時における製品ごとの輝度及び全光束のばらつきを低減することのできる発光装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、
発光素子と、
前記発光素子の表面に形成され、前記発光素子から発せられた光により励起されると波長変換光を発する蛍光体及び該蛍光体と母体が共通する拡散体を含有する蛍光拡散層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

この発光装置によれば、蛍光拡散層に含有される蛍光体と拡散体の母体が共通することから、蛍光体と拡散体とで比重がほぼ等しく、蛍光体と拡散体を同様に取り扱うことで、蛍光拡散層内における蛍光体と拡散体の分布状態を同じようにすることができる。すなわち、従来のように、蛍光体と拡散体の一方が均一に分散され他方が沈降するようなことはない。また、蛍光拡散層に含有される蛍光体と拡散体の重量％等の濃度と配合比を変化させることで、蛍光体と拡散体の分散制御を簡単容易に行うことができる。
また、この発光装置によれば、発光素子から発せられた第１波長光は蛍光拡散層へ入射し、第１波長光の一部は蛍光体により第２波長光に変換され、第１波長光の残部は蛍光体により波長変換されることなく、蛍光拡散層から放射される。このとき、蛍光拡散層へ入射した第１波長光のうち拡散体へ向かうものについて拡散体にて屈折又は散乱されるため、蛍光体へ進入する第１波長光が増大し波長変換効率が向上する。
また、拡散体にて屈折又は散乱された後、蛍光体へ進入しない第１波長光については、拡散体により拡散された状態で蛍光拡散層から取り出される。そして、蛍光体にて波長変換される第２波長光についても、蛍光体にて拡散された状態で蛍光拡散層から取り出される。
また、蛍光体と拡散体は母体が共通であることから屈折率の差がなく、蛍光体と拡散体の屈折率差に起因するフレネルロスによる光損失が最小限になり、光取り出し効率の低下が第１波長光、第２波長光ともに抑制される。

また、上記発光装置において、
前記蛍光体は前記母体を付活する付活剤を含み、
前記拡散体は前記母体を付活する付活剤を含まないことが好ましい。

また、上記発光装置において、
前記拡散体は可視光領域において透明であることが好ましい。

また、上記発光装置において、
前記蛍光体と前記拡散体とは、平均粒径及び粒度分布がほぼ同じであることが好ましい。

また、上記発光装置において、
前記発光素子は、ＬＥＤ素子であることが好ましい。

また、上記発光装置において、
前記蛍光拡散層は、前記ＬＥＤ素子の主発光面の表面に形成されることが好ましい。

また、上記発光装置において、
前記ＬＥＤ素子は、レーザーリフトオフ法によりエピタキシャル成長層が成長基板から剥離されたものであることが好ましい。

この発光装置によれば、フェイスアップ型またはフリップチップ型のＬＥＤ素子よりもＬＥＤ素子の表面から出射される光束密度が高く、フェイスアップ型またはフリップチップ型よりも第１波長光から第２波長光への変換が困難であるところ、蛍光拡散層において的確に波長変換を行うことができるので実用に際して極めて有利である。

本発明によれば、蛍光体と拡散体の濃度と配合比を変化させて蛍光体と拡散体の分散制御を簡単容易に行うことができるので、発光装置の輝度と全光束の設定を的確に行うことができる。また、蛍光拡散層内における蛍光体と拡散体の分散状態を所望の状態に再現でき、量産時における製品ごとの輝度及び全光束を含む光学特性のばらつきを低減することができる。
また、蛍光体へ進入する第１波長光が増大して波長変換効率が向上することから、素子全体の発光効率及び全光束を向上させることができる。このとき、蛍光体と拡散体の屈折率に差がないことから、光損失がほとんどない。
さらにまた、第１波長光及び第２波長光がともに拡散された状態で取り出されることから、第１波長光と第２波長光を組み合わせた光の色むらを低減することができる。

図１から図３は本発明の一実施形態を示すもので、図１は発光装置の概略模式断面図である。

図１に示すように、発光装置１は、発光素子としてのＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２の表面に形成される蛍光拡散層３と、を備えている。蛍光拡散層３は、ＬＥＤ素子２から発せられた光により励起されると波長変換光を発する蛍光体３２と、この蛍光体３２と母体が共通する拡散体３３と、を含有している。ＬＥＤ素子２は第１波長光として青色領域にピーク波長を有する青色光Ｂを発し、蛍光体３２は青色光Ｂに励起されると第２波長光として黄色領域にピーク波長を有する黄色光Ｙを発する。すなわち、この発光装置１からは、青色光Ｂと黄色光Ｙの組合せによる白色光が取り出されるようになっている。

ＬＥＤ素子２は、導電性の支持基板２１と、支持基板２１上に配置された半導体層２２と、半導体層２２上に形成された電極２３と、を有している。発光装置１は、電極２３に接続されるワイヤ４と、支持基板２１にバンプ５を介して接続される配線部６と、を備え、ワイヤ４及び配線部６に電圧を印加することによりＬＥＤ素子２を発光させる。

ＬＥＤ素子２は、例えばサファイア等の成長基板にバッファ層を介して半導体層２２をエピタキシャル成長した後、成長基板をレーザーリフトオフ法により半導体層２２から剥離し、導電性の支持基板２１を半導体層２２に取り付けることにより製造される。半導体層２２は、ＧａＮ系の材料からなり、支持基板２１側から、反射膜２４を介して、ｐ型層２５、発光層２６及びｎ型層２７がこの順に形成されている。

支持基板２１は、例えば銅等の金属材料、Ｓｉ基板、化合物半導体基板等からなり、バンプ５により配線部６に電気的に接続されるよう固定されている。

ｎ型層２７は、ｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｎ型層２７をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型層２７にｎ型不純物としてＳｉをドープしているが、ｎ型不純物としてＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いてもよい。また、電極２３は金を含む材料で構成されており、ｎ型層２７上に蒸着により形成される。

発光層２６は、所定のペアのＱＷ（quantum well）からなり、複数の青色発光層と、各青色発光層の間に介在するバリア層と、を有している。各青色発光層はＩｎＧａＮからなり、各バリア層はＧａＮからなり、各青色発光層からはピーク波長が４６０ｎｍの光が発せられる。

ｐ型層２５は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｐ型層２５をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｐ型不純物としてＭｇをドープしているが、ｐ側不純物としてＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いてもよい。

反射膜２４は、例えば、ＧａＮ系の薄膜の多層膜、金属反射膜等からなり、発光層２６から入射する光をｎ型層２７側へ反射させる作用を有する。尚、反射膜２４は、発光層２６より支持基板２１側に形成されていればよく、例えば、発光層２６における支持基板２１側に形成されていてもよい。

このように構成されたＬＥＤ素子２は、発光層２６から放射状に発せられた光のうち、反射膜２４に入射したものについてはｎ型層２７へ反射される。これにより、発光層２６から発せられる光のうち大部分がｎ型層２７から蛍光拡散層３へ入射する。すなわち、半導体層２２におけるｎ型層２７側の表面が主発光面をなしている。

蛍光拡散層３は、例えばエポキシ系、シリコーン系等の透光性樹脂、ガラス等からなる透明体３１を有し、半導体層２２上に形成されている。蛍光拡散層３に含有される蛍光体３２は、母体がＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)であり付活剤としてセリウムを含んでいる。また、蛍光拡散層３に含有される拡散体３３は、透明であり、母体がＹＡＧであり付活剤を含んでいない。

蛍光体３２は、所定の平均粒径及び粒度分布で蛍光拡散層３中に均一に分散されている。また、拡散体３３は、蛍光体３２とほぼ等しい平均粒径及び粒度分布で蛍光拡散層３中に均一に分散されている。尚、ここでいう粒径とは、例えばふるい分け試験等で用いるふるい目の大きさのことを指しており、蛍光体３２及び拡散体３３が必ずしも球形であるということではない。尚、蛍光体３２及び拡散体３３の平均粒径としては、１μｍ〜１０μｍが好ましい。

以上のように構成された発光装置１では、蛍光拡散層３に含有される蛍光体３２と拡散体３３の母体が共通することから、蛍光体３２と拡散体３３とで比重がほぼ等しく、蛍光体３２と拡散体３３を同様に取り扱うことで、蛍光拡散層３内における蛍光体３２と拡散体３３の分布状態を同じようにすることができる。すなわち、従来のように、蛍光体と拡散体の一方が均一に分散され他方が沈降するようなことはない。また、蛍光拡散層３に含有される蛍光体３２と拡散体３３の各重量％等の濃度とそれぞれの配合比を変化させることで、蛍光体３２と拡散体３３の分散制御を簡単容易に行うことができる。

ここで、図２及び図３を参照して、発光装置１の発光時における作用について説明する。図２は発光層から出射された青色光の進路を示す説明図であり、図３は蛍光拡散層内における光の進路を示す説明図である。

図２に示すように、ＬＥＤ素子２に通電されると、ＬＥＤ素子２から発せられた青色光Ｂが蛍光拡散層３へ入射し、青色光Ｂの一部は蛍光体３２により黄色光Ｙに変換され、青色光Ｂの残部は蛍光体３２により波長変換されることなく蛍光拡散層３から放射される。このとき、図３に示すように、蛍光拡散層３へ入射した青色光Ｂのうち拡散体３３へ向かうものについて拡散体３３にて屈折又は散乱されるため、蛍光体３２へ進入する青色光Ｂが増大し波長変換効率が向上する。
また、拡散体３３にて屈折又は散乱された後、蛍光体３２へ進入しない青色光Ｂについては、拡散体３３により拡散された状態で蛍光拡散層３から取り出される。そして、蛍光体３２にて波長変変換される黄色光Ｂについても、蛍光体３２にて拡散された状態で蛍光拡散層３から取り出される。
特に、本実施形態においては、蛍光体３２と拡散体３３とで平均粒径がほぼ等しいことから、蛍光体３２及び拡散体３３へ入射する光はともに同じ挙動を示すこととなり、蛍光拡散層３から外部へ放出される青色光Ｂと黄色光Ｙとは、同様の拡散状態で蛍光拡散層３から放出されることとなる。
このとき、蛍光体３２と拡散体３３は母体が共通で屈折率が同じであることから、蛍光体３２と拡散体３３の屈折率差に起因する光取り出し効率の低下が抑制される。

このように、本実施形態の発光装置１によれば、蛍光体３２と拡散体３３の濃度と配合比を変化させて蛍光体３２と拡散体３３の分散制御を簡単容易に行うことができるので、発光装置１の輝度と全光束の設定を的確に行うことができる。また、蛍光拡散層３内における蛍光体３２と拡散体３３の分散状態を所望の状態に再現でき、量産時における製品ごとの輝度及び全光束のばらつきを低減することができる。

また、本実施形態の発光装置１によれば、蛍光体３２へ進入する青色光Ｂが増大して波長変換効率が向上することから、発光装置１全体の発光効率及び全光束を向上させることができる。さらにまた、本実施形態の発光装置１によれば、青色光Ｂ及び黄色光Ｙがともに拡散された状態で取り出されることから、青色光Ｂと黄色光Ｙを組み合わせた白色光の色むらを低減することができる。ここで、レーザーリフトオフ法により作製されたＬＥＤ素子２では、主発光面の光束密度が比較的高いことから、青色光Ｂの黄色光Ｙへの波長変換を十分に行うことが困難であるという課題が存在するが、本実施形態の発光装置１ではこの従来の課題を解決することができる。

また、本実施形態の発光装置１によれば、拡散体３３を無機材料としたので、有機材料に比して拡散体３３の劣化を抑制することができ、実用に際して極めて有利である。また、透明体３１をガラスとした場合は、有機材料に比して透明体３１の劣化を抑制することができる。

尚、前記実施形態においては、レーザーリフトオフ法により成長基板を半導体層２２から剥離したＬＥＤ素子２を用いたものを示したが、成長基板と半導体層とを剥離させていないＬＥＤ素子を用いてもよく、要は発光素子に蛍光拡散層が形成されている発光素子であれば本発明を適用可能である。例えば、図４に示すように、成長基板１２１上にバッファ層１２４、ｎ型層１２５、反射膜１２６、ｐ型層１２７がこの順に形成されているＬＥＤ素子１０２を用いた発光装置１０１にも本発明を適用可能である。ここで、図４にはフェイスアップ型のＬＥＤ素子本体１０２を示し、ｎ型層１２５及びｐ型層１２６にはそれぞれワイヤ４が接続される電極１２３が形成されている。このＬＥＤ素子１０２においては、反射膜１２６が形成されていることから、ｐ型層１２７側の表面が主発光面をなしている。そして、このｐ型層１２７上に蛍光拡散層３が形成されている。

さらには、図５に示すように、ＬＥＤ素子１０２の表面全体に蛍光拡散層３が形成されたものであってもよい。この発光装置１０１は、ＬＥＤ素子１０２を実装した後に、蛍光体３２及び拡散体３３を含む蛍光拡散層３を封止部材中で沈降させ、ＬＥＤ素子１０２をその実装部とともに覆うことにより構成される。

また、前記実施形態においては、反射膜２５がＧａＮ系の多層膜から構成されるものを示したが、反射膜はＡｌ等の金属により構成されていてもよい。また、反射膜２５の形成位置は適宜に変更することができる。

また、前記実施形態においては、蛍光体３２及び拡散体３３としてＹＡＧ系の粒子を用いたものを示したが、例えば、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系、サイアロン系等の粒子を用いたものであってもよい。

また、前記実施形態においては、青色のＬＥＤ素子２と黄色の蛍光体３２との組合せにより白色光を得るものを示したが、例えば、紫外のＬＥＤ素子本体と、紫外光によりそれぞれ励起される青色、緑色及び赤色の各蛍光体との組合せにより白色光を得るものであってもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態を示す発光装置の概略模式断面図である。 発光層から出射された青色光の進路を示す説明図である。 蛍光拡散層内における光の進路を示す説明図である。 変形例を示す発光装置の概略模式断面図である。 変形例を示す発光装置の概略模式断面図である。

符号の説明

１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 蛍光拡散層
４ ワイヤ
５ バンプ
６ 配線部
２１ 支持基板
２２ 半導体層
２３ 電極
２４ 反射膜
２５ ｐ型層
２６ 発光層
２７ ｎ型層
３１ 透明体
３２ 蛍光体
３３ 拡散体
１０１ 発光装置
１０２ ＬＥＤ素子
１２１ 成長基板
１２３ 電極
１２４ バッファ層
１２５ ｎ型層
１２６ 反射膜
１２７ 発光層
１２８ ｐ型層
Ｂ 青色光
Ｙ 黄色光

Claims (7)

1. 発光素子と、
   前記発光素子の表面に形成され、前記発光素子から発せられた光により励起されると波長変換光を発する蛍光体及び該蛍光体と母体が共通する拡散体を含有する蛍光拡散層と、を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記蛍光体は前記母体を付活する付活剤を含み、
   前記拡散体は前記母体を付活する付活剤を含まないことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記拡散体は可視光領域で透明であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記蛍光体と前記拡散体とは、平均粒径及び粒度分布がほぼ同じであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記発光素子は、ＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記蛍光拡散層は、前記ＬＥＤ素子の主発光面の表面に形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記ＬＥＤ素子は、レーザーリフトオフ法によりエピタキシャル成長層が成長基板から剥離されたものであることを特徴とする請求項５または６に記載の発光装置。

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