JP2008177227A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギの励起光を安全に利用することができ、高輝度の可視光を出力することが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子１２と、発光素子１２と対向して配置され、発光素子１２から照射される励起光を透過させる半透過膜２０、半透過膜２０を透過した励起光を吸収して励起光とは波長の異なる可視出射光を出力する蛍光体を含む発光膜２２、発光膜２２に関して半透過膜２０の反対側に配置され、少なくとも励起光を発光膜２２に向けて反射する反射膜２４を備える発光体とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関し、特に半導体発光素子と蛍光体とを備えた発光装置に関する。

半導体発光素子と蛍光物質を組み合わせた光源装置あるいは発光装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。蛍光物質は、半導体発光素子からの励起光を吸収して励起光とは異なる波長の光を放射する。

特許文献１には、照度と演色性の高い発光装置が記載されている。この光源装置は、光ファイバを励起光の導波路として用い、光ファイバの先端に蛍光物質を付加した構造を備えている。

また、特許文献２には、消費電力が少なく、耐久性に優れ、極めて安全でしかも充分な出力の白色光等の最適な照明光を得ることができる照明用発光装置が提案されている。この照明用光源装置は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、半導体レーザからのレーザ光を拡散するレンズと、拡散レンズからのレーザ光を可視光に変換する蛍光体とを備えている。

更に、特許文献３には、蛍光体の励起光を放射する半導体発光素子と蛍光体を分散させた分散体を備えた、光取り出し効率が高い発光装置が提案されている。この発光装置では、分散体中の蛍光体より放射される光が、分散体における励起光の入射側より取り出される。

しかしながら、前述の特許文献１〜３に記載された発光装置においては、以下の点について配慮がなされていなかった。特許文献１の発光装置においては、発光素子からの光の発光方向と光拡散物質による光の拡散方向とが同一である。特許文献２の照明用光源装置においても、半導体レーザ素子のレーザ光の出力方向と拡散レンズの光の拡散方向と蛍光体からの光の放出方向とが同一である。また、特許文献３においても、蛍光体によって散乱する短波長の光を抑えるには不十分な構造である。

このように、発光素子や半導体レーザ素子から放射される励起光の漏れが生じるので、紫外線、レーザ光等の直視することが危険である高エネルギ光を出力する素子を利用することができない。また、これらの構造で励起光漏れを抑えるためには半導体発光素子の出力を抑えるか、蛍光体を厚くする必要がある。その結果、効率が低くなる。

また、これらの発光装置では半導体発光素子の出力が一定に保たれることが前提である。しかし、発光素子の出力が変化すると、蛍光体の励起強度が変化し、取り出される光の波長の比が変化する。そのため、発光装置より得られる光の色合いが変化してしまうという問題がある。このように、提案された発光装置では、実質的に光量の調整が難しい。

更に、高エネルギ光を出力する発光素子を利用することができないので、照明装置、画像表示装置等の高輝度が要求されている装置に応用することができない。
特開２００５−２０５１９５号公報 特開平０７−２８２６０９号公報 特開２００６−２１０８８７号公報

本発明の目的は、高エネルギの励起光を安全に利用することができ、高輝度の可視光を出力することが可能な発光装置を提供することにある。

本発明の態様によれば、（イ）発光素子と、（ロ）発光素子と対向して配置され、発光素子から照射される励起光を透過させる半透過膜と、（ハ）半透過膜を透過した励起光を吸収して励起光とは波長の異なる可視出射光を出力する蛍光体を含む発光膜と、（ニ）発光膜に関して半透過膜の反対側に配置され、少なくとも励起光を発光膜に向けて反射する反射膜とを備える発光装置が提供される。

本発明によれば、高エネルギの励起光を安全に利用することができ、高輝度の可視光を出力することが可能な発光装置を提供することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る発光装置は、図１に示すように、実装基板１０の上に配置された発光素子１２と発光体１４とを備える。発光体１４は、半透過膜２０と、発光膜２２と、反射膜２４等を備える。実装基板１０は、配線１６ａ、１６ｂを有する。発光素子１２の電極（図示省略）は、直接又はボンディングワイヤ１８等を介して配線１６ａ、１６ｂに電気的に接続される。

図２に示すように、発光素子１２は、紫外光から可視光までの範囲内の励起光Ｌｅを発光体１４に照射する。発光体１４は、半透過膜２０が発光素子１２と対向するように配置される。半透過膜２０を透過した励起光の一部は発光膜２２を透過し、反射膜２４により、発光膜２２に向けて反射される。なお、励起光は反射膜２４により、励起光の入射方向とは異なる方向、例えば入射方向の反対方向に反射される。発光膜２２は、半透過膜２０を透過した励起光、及び反射膜２４で反射された励起光を吸収し、可視光を等方的に放射する。放射された可視光は発光膜２２から外部に可視出射光Ｌｆとして出力される。

発光膜２２の内部で放射された可視光は、反射膜２４で反射される。また、半透過膜２０に向かう可視光の一部は、半透過膜２０と空気との屈折率の差により、半透過膜２０を透過せずに反射される。したがって、図３に示すように、可視出射光Ｌｆは、励起光Ｌｅの入射方向に対して直交する方向の発光膜２２の側面から主に出力される。

図４に示すように、発光膜２２は、透明基材３０及び透明基材３０に分散された蛍光体３２を含む。発光膜２２の内部に入射した励起光は、蛍光体３２に吸収される。励起光の一部は、透明基材３０を透過する。透過した励起光は、反射膜２４で反射され再度発光膜２２に入射して吸収される。一部の反射励起光は、透明基材３０及び半透過膜２０を透過して発光体１４の外部に発光素子１２に向かって出て行く。しかし、反射膜２４を通って外部には漏れない。また、可視出射光が主に出力される方向には、励起光の漏れはほとんどない。

蛍光体３２の含有量は、発光素子１２から入射される励起光が効果的に吸収されるように調節される。具体的には、発光膜２２は、透明基材３０中に約２０重量％以上、望ましくは約５０重量％以上の蛍光体材料を含有することが望ましい。また、蛍光体３２においては、発光強度並びに発光効率の高い、例えば約２０ｎｍ以上の大粒径粒子を有する蛍光体材料を使用することが望ましい。

また、半透過膜２０の反射率は、発光素子１２から入射する励起光Ｌｅを透過させ、かつ外部に漏らさないように調整される。図５は、発光膜２２の励起光に対する透過率を約３７％とした場合の、発光膜２２の厚さと励起光の漏れが抑制でき発光体１４の発光効率が高くなる最適な半透過膜２０の反射率との関係を示す。例えば、発光膜２２の厚さが約０．１ｍｍの場合、半透過膜２０の反射率を約１４％に設定すると、半透過膜２０からの励起光の漏れが抑制でき、かつ発光体１４の発光効率を向上することができる。

したがって、発光素子１２から高エネルギの励起光Ｌｅが出力されても、発光体１４に入射した励起光の漏れが抑制されるため安全に利用することができる。また、励起光が発光体１４の内部に閉じ込められるため、励起光の吸収が向上する。その結果、発光体１４から高輝度の可視出射光を出力することが可能となる。

発光素子１２には、約４３０ｎｍ以下の波長領域の青から紫外の発光ピーク波長を有する発光素子が用いられる。発光素子１２は、端面発光型であってもよく、面発光型であってもよい。具体的には、発光層（活性層）として、III−Ｖ族化合物半導体である窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、あるいはII−VI族化合物半導体である酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）等を用いた半導体レーザダイオードや発光ダイオードが用いられる。

例えば、発光層として用いるIII−Ｖ族化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの中の少なくとも一つを含む窒化物半導体である。具体的にはＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦（ｘ＋ｙ）≦１）と表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、及びＩｎＮの２元系、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ_ｘＩｎ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、及びＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｙ）}Ｎ （０＜ｙ＜１）の３元系、更にすべてを含む４元系のいずれも含まれる。Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの組成ｘ、ｙ、（１−ｘ−ｙ）に基いて、紫外から青までの範囲の発光ピーク波長が決定される。また、III族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置換することができる。更に、Ｖ族元素のＮの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等に置換することができる。

同様に、発光層として用いるII−VI族化合物半導体は、Ｍｇ及びＺｎを少なくとも一つ含む酸化物半導体である。具体的にはＭｇ_ｚＺｎ_{（１−ｚ）}Ｏ（０≦ｚ≦１）と表され、Ｍｇ及びＺｎの組成ｚ、（１−ｚ）に基いて紫外領域の発光ピーク波長が決定される。

図６は、発光素子１２として使用可能な端面発光型ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードの一例を示している。図６に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ｎ型ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＧａＩｎＮ発光層１０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のそれぞれを順次積層した構造である。ｐ型コンタクト層１０７のリッジ側面及びｐ型クラッド層１０６の表面には絶縁膜１０８が設けられる。ｐ側電極１０９が、ｐ型コンタクト層１０７及び絶縁膜１０８の表面に設けられる。ｎ側電極１１０が、ｎ型基板１００の裏面に設けられる。

図７は、発光素子１２として使用可能な垂直共振器面発光型半導体レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）の一例を示している。図７に示すように、ＶＣＳＥＬは、ｎ型基板１２０上に、ｎ型多層膜分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１２１、量子井戸層（ＭＱＷ）１２２、ｐ型多層膜ＤＢＲ１２３のそれぞれを順次積層した構造である。ｐ型多層膜ＤＢＲ１２３上にはコンタクト層１２４を介してｐ側電極１２５が設けられる。ｎ型基板１２０の裏面にはｎ側電極１２６が設けられる。

図８及び図９は、発光素子１２として使用可能な端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードの一例を示している。図８に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードでは、シリコン（Ｓｉ）基板１３０が用いられる。一方、図９に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードではサファイア基板１４０が用いられる。

図８に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、Ｓｉ基板１３０、金属反射層１３１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３２、ｉ型ＭｇＺｎＯ発光層１３３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３４、ｎ型ＭｇＺｎＯコンタクト層１３５のそれぞれを積層した構造である。ｎ型コンタクト層１３５には、ｎ側電極１３６が設けられる。基板１３０にはｐ側電極１３７が設けられる。

図９に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、サファイア基板１４０、ＺｎＯバッファ層１４１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４２、ＭｇＺｎＯ発光層１４３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４４のそれぞれを積層した構造である。ｎ型クラッド層１４４には酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極層１４５を介してｎ側電極１４６が設けられる。ｐ型クラッド層１４２にはＩＴＯ電極層１４７を介してｐ側電極１４８が設けられる。

発光体１４の半透過膜２０として、金属薄膜や誘電体多層膜を用いることができる。金属薄膜の場合、アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属が用いられる。誘電体多層膜の場合、Ｓｉ、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、Ａｌ、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等の酸化物及び窒化物等が用いられる。

発光膜２２の透明基材３０として、励起光の透過性が高く、かつ耐熱性の高い任意の材料を用いることができる。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が使用可能である。特に、入手し易く取り扱いやすく、しかも安価であることから、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が好適である。また、樹脂以外でも、ガラス、焼結体、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を組み合わせたセラミックス構造体等を用いることができる。

蛍光体３２として、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられる。例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、ＹＡＧ系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用することができる。

（１）珪酸塩系蛍光体材料：（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２Ｓｉ_ｗＯ_{（２＋２ｗ）}（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０．０５≦ｚ≦０．２、０．９０≦ｗ≦１．１０）
ここで、珪酸塩系蛍光体材料としては、ｘ＝０．１９、ｙ＝０、ｚ＝０．０５、ｗ＝１．０の組成が望ましい。珪酸塩蛍光体材料は、結晶構造を安定化したり、発光強度を高めるために、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、及びカルシウム（Ｃａ）の一部をＭｇ及びＺｎの少なくともいずれか一方に置き換えてもよい。

他の組成比の珪酸塩系蛍光体材料として、ＭＳｉＯ_３、ＭＳｉＯ_４、Ｍ_２ＳｉＯ_３、Ｍ_２ＳｉＯ_５、及びＭ_４Ｓｉ_２Ｏ_８（ＭはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、及びＹから選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。更に、珪酸塩系蛍光体材料は、発光色を制御するために、Ｓｉの一部をゲルマニウム（Ｇｅ）に置き換えてもよい（例えば、（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２（Ｓｉ_{（１−ｕ）}Ｇｅ_ｕ）Ｏ_４）。また、Ｔｉ、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、ヒ素（Ａｓ）、Ａｌ、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、及びセリウム（Ｃｅ）から選択される少なくとも１つの元素が、賦活剤として含有されてもよい。

（２）アルミン酸塩系蛍光体材料：Ｍ_２Ａｌ_１０Ｏ_１７（但し、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＣａから選択される少なくとも１つの元素）
賦活剤として、ユーロピウム（Ｅｕ）及びＭｎの少なくとも１つを含む。

他の組成比のアルミン酸塩系蛍光体材料としては、ＭＡｌ_２Ｏ_４、ＭＡｌ_４Ｏ_１７、ＭＡｌ_８Ｏ_１３、ＭＡｌ_１２Ｏ_１９、Ｍ_２Ａｌ_１０Ｏ_１７、Ｍ_２Ａｌ_１１Ｏ_１９、Ｍ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｍ_３Ａｌ_１６Ｏ_２７、及びＭ_４Ａｌ_５Ｏ_１２（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ及びＺｎから選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。また、Ｍｎ、ジスプロシウム（Ｄｙ）、Ｔｂ、ネオジウム（Ｎｄ）、及びＣｅから選択される少なくとも１つの元素が、賦活剤として含有されていてもよい。

（３）窒化物系蛍光体材料（主にシリコンナイトライド系蛍光体材料）：Ｌ_ｘＳｉ_ｙＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３）}：Ｅｕ、又はＬ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３−２ｚ／３）}：Ｅｕ（ＬはＳｒ、Ｃａ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素）
ｘ＝２かつｙ＝５、又はｘ＝１かつｙ＝７であることが望ましいが、ｘ及びｙは、任意の値とすることができる。

具体的には、Ｍｎが賦活剤として添加された（Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}Ｓｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＳｒＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＣａＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ等の蛍光体材料を使用することが望ましい。これらの蛍光体材料には、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、銅（Ｃｕ）、Ｍｎ、クロム（Ｃｒ）、及びニッケル（Ｎｉ）から選ばれる少なくとも１つの元素が含有されてもよい。また、Ｃｅ，Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、及びランタン（Ｌａ）から選ばれるの少なくとも１つの元素が、賦活剤として含有されてもよい。

（４）硫化物系蛍光体材料：(Ｚｎ_{（１−ｘ）}Ｃｄ_ｘ)Ｓ：Ｍ（Ｍは、Ｃｕ、塩素（Ｃｌ）、Ａｇ、Ａｌ、鉄（Ｆｅ）、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＺｎから選択される少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
イオウ（Ｓ）は、セレン（Ｓｅ）及びテルル（Ｔｅ）の少なくともいずれかを置き換えてもよい。

（５）酸硫化物蛍光体材料：（Ｌｎ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）Ｏ_２Ｓ（Ｌｎはスカンジウム（Ｓｃ）、Ｙ、Ｌａ、ガドリニウム（Ｇｄ）、及びルテチウム（Ｌｕ）から選ばれるの少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
Ｔｂ、Ｐｒ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｇａ、サマリウム（Ｓｍ）、及びツリウム（Ｔｍ）の少なくともいずれかが、賦活剤として含有されていてもよい。

（６）ＹＡＧ系蛍光体材料：（Ｙ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｇｄ_ｘＬａ_ｙＳｍ_ｚ）_３（Ａｌ_{（１−ｖ）}Ｇａ_ｖ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ，Ｅｕ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１．０≦ｖ≦１）
ＣｒおよびＴｂの少なくとも一種が、賦活剤として含有されていてもよい。

（７）硼酸塩系蛍光体材料：ＭＢＯ_３：Ｅｕ（ＭはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、及びＩｎから選択される少なくとも１つの元素）
賦活剤として、Ｔｂが含有されていてもよい。

他の組成比の硼酸塩系蛍光体材料として、Ｃｄ_２Ｂ_２Ｏ_５：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｇｄ，Ｔｂ）ＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｍｎ、ＧｄＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｃｅ，Ｔｂなどが使用可能である。

（８）燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料：２（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｍ’_ｘ）Ｏ・ａＰ_２Ｏ_５・ｂＢ_２Ｏ_３（ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＺｎから選ばれる少なくとも１つの元素、Ｍ’はＥｕ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、及びＣｒから選択される少なくとも１つの元素、ｘ、ａ、ｂは０．００１≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦２、０≦ｂ≦３、０．３＜（ａ＋ｂ）を満足する数値）
（９）燐酸塩系蛍光体：（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_３（ＰＯ_４）_２：Ｅｕ、又は（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、Ｓｎ
Ｔｉ及びＣｕのいずれか一方が、賦活剤として含有されていてもよい。

（１０）ハロリン酸塩系蛍光体材料：（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２、又は（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＣｄから選ばれる少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
Ｃｌの少なくとも一部を、フッ素（Ｆ）に置き換えてもよい。また、Ｓｂ及びＭｎの少なくとも１つが、賦活剤として含有されていてもよい。

上記の蛍光体材料を適宜選択することにより、青色発光体、黄色発光体、緑色発光体、赤色発光体、白色発光体として使用することができる。また、蛍光体材料を複数種組み合わせることで、中間色を発光する発光体を形成することができる。白色発光体を形成する場合、光の三原色の赤緑青（ＲＧＢ）のそれぞれに対応する色の蛍光体材料を組み合わせるか、もしくは青と黄色のような補色関係にある色の組み合わせを用いればよい。

例えば、ＲＧＢのそれぞれに対応する色の蛍光体材料を透明基材に混合してＲＧＢそれぞれに対応する薄膜を形成する。これらの薄膜を重ね合わせることによって、図１に示した発光膜２２としての白色光を放射する蛍光体多層膜が得られる。また、ＲＧＢの蛍光体材料を一層の透明基材に混合して、発光膜２２としての白色光を放射する蛍光体が得られる。効率と色合いの安定度を求める場合は、蛍光体多層膜を用いることが望ましい。発光膜２２の作成の簡易さに重点を置く場合は、蛍光体を混合する構造が望ましい。

反射膜２４として、励起光に対する反射率が約８０％以上、望ましくは約９０％以上の金属膜や誘電体多層膜ＤＢＲを用いることができる。特に、誘電体多層膜ＤＢＲにおいては、例えば、励起光のみを選択的に反射し、可視光は透過させるように励起光の波長に合わせて設計することが可能である。反射率金属膜の場合、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等の金属が用いられる。誘電体多層膜の場合、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ等の酸化物及び窒化物等が用いられる。

実装基板１０として、熱伝導性に優れた材料を用いることが望ましい。例えば、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｕ、窒化ボロン（ＢＮ）、プラスチック、セラミックス、及びダイアモンド等が使用可能である。こうした材料からなる実装基板１０を用いることによって、発光素子１２の動作により発生する熱を効率よく放出することができる。

配線１６ａ、１６ｂとして、抵抗値が小さく、かつ可視光の吸収率が小さい材料が望ましい。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、あるいはタングステン（Ｗ）等の金属材料によって、配線１６ａ、１６ｂを形成することができる。配線１６ａ、１６ｂは、薄膜配線及び厚膜配線のいずれとしてもよい。更に、配線１６ａ、１６ｂには、ボンダビリティを向上するために、Ａｕメッキ層、Ａｇメッキ層、Ｐｄメッキ層、又は半田メッキ層を形成することができる。ボンディングワイヤ１８には、抵抗値が小さくかつ可視光の吸収率が小さい材料を用いることが望ましい。例えば、Ａｕワイヤを用いることができる。あるいは、Ｐｔ等の貴金属とＡｕとを組を合わせたワイヤを用いてもよい。

本発明の実施の形態に係る発光装置の製造方法を図１及び図２に示した発光装置を例として説明する。

まず、図１に示した発光装置の発光体１４を形成する。発光膜の透明基材としてシリコーン樹脂を使用する。透明基材に補色関係で白色を構成できる２種類の蛍光体材料のそれぞれを約７５重量％含有した２枚の発光膜を形成する。例えば、青色蛍光体を含有する青色発光膜と、黄色蛍光体を含有する黄色発光膜をそれぞれ形成する。具体的には、青色蛍光体材料には（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕを、黄色蛍光体材料には３（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２Ｓｉ_２Ｏ_４：Ｅｕをそれぞれ使用する。

予め半透過膜２０として準備したＳｉ_３Ｎ_４膜を含む誘電体多層膜に黄色発光膜を貼りあわせる。更に、黄色発光膜に青色発光膜を貼りあわせる。このようにして、黄色及び青色発光膜を有する発光膜２２を形成する。なお、青色可視光は黄色発光層で吸収されて黄色可視光を放射させる可能性があり、色合いを変化させてしまう。一方、黄色可視光は青色発光層では吸収されない。したがって、青色発光膜の屈折率を黄色発光膜より大きくすることが望ましい。青色発光膜で放射された青色可視光が黄色発光膜に入射されないようにするためである。また、低屈折率の黄色発光膜を励起光の入射側に配置することにより、励起光を発光膜２２の全体に効率よく透過させることが可能となる。

発光膜２２に蒸着あるいはスパッタリング等によりＡｇ等の金属膜を堆積して反射膜２４を形成する。このようにして、発光体１４が作製される。

ＡｌＮ等の実装基板１０を、成型加工により製作する。実装基板１０にＡｕ等の金属膜を成膜する。フォトリソグラフィ、エッチング等により実装基板１０の表面に配線１６ａ、１６ｂを形成する。

実装基板１０の配線１６ａ表面に、発光素子１２として紫光を発振するＡｌＧａＩｎＮ発光層を有する半導体レーザダイオードをマウントする。実装基板１０の表面に発光体１４を、半透過膜２０が発光素子１２と対向するようにマウントする。その後、ボンディングワイヤ１８により配線１６ｂと発光素子１２の電極（図示省略）との間を電気的に接続する。

上記のように製造した発光装置において、発光素子１２の電極間に動作電圧を印加し、レーザ光を発振させる。発光素子１２から発光体１４の方向に向かって出力された励起光が、半透過膜２０に照射される。半透過膜２０に入射した励起光は発光膜２２で吸収されて、励起光の入射方向とは異なる方向に向かって白色光が出力される。

発光膜２２を透過した励起光は、反射膜２４によって反射され、再度発光膜２２に入射されて吸収される。したがって、高エネルギの励起光は、反射膜２４を通って漏れることはない。また、半透過膜２０の反射率を調整することにより、励起光を半透過膜２０から発光体１４の外部へ透過することを抑制することができる。その結果、高エネルギの励起光は、可視出射光の出力方向にはほとんど漏れない。このように、本発明の実施の形態によれば、高エネルギの励起光を安全に利用することができ、高輝度の可視光を出力することが可能となる。

なお、図１に示した発光装置では、発光素子１２と発光体１４とは離間して配置されている。発光素子１２と発光体１４との間の距離は任意であり、励起光の発光体１４への入射スポットの拡がりと放熱を考慮して決定すればよい。例えば、実装基板１０の放熱効率が十分であれば、図１０に示すように、発光素子１２の出射側を発光体１４の入射面に密着させてもよい。この場合、励起光の拡がりが無視できるため、励起光の漏れをより効率よく抑制することができる。

また、端面発光型の発光素子１２を用いる場合、対向する２つの端面から励起光を出射させることが可能である。このような場合、図１１に示すように、励起光が出射される両端面のそれぞれに対向するように２つの発光体１４ａ、１４ｂを配置すればよい。

また、図１２に示すように、発光体１４が載置される実装基板１０表面に金属等の反射膜２５を設けてもよい。発光膜２２の内部で等方的に放射される可視光のうち、実装基板１０に向かう方向に放射された可視光は反射膜２５により反射される。その結果、発光体１４の内部で放射された可視光の外部への取り出し効率が向上する。

また、可視出射光の取り出し面を限定して指向性を持たせることができる。図１３に示すように、取り出し面を上面に限定する場合、発光体１４の対向する側面のそれぞれに反射膜５４を設ける。発光膜２２で等方的に放射された可視光は反射膜５４で反射されるため、発光膜２２の上面だけから出力される。

また、図１４及び図１５に示すように、発光体１４を囲むように実装基板１０上に反射鏡４０を配置してもよい。反射鏡の開口部４２を通して発光素子１２の励起光Ｌｅが発光体１４に入射される。反射鏡４０は、実装基板１０の表面から上方向に可視出射光Ｌｆが取り出されるように傾斜されている。発光膜２２の側面からの可視出射光Ｌｆは、反射鏡４０で反射され、上面からの可視出射光Ｌｆと同様に上方向に出力される。なお、反射鏡４０として、放物曲面状の反射鏡を用いてもよい。このように、指向性に優れた可視出射光Ｌｆを効率よく取り出すことができる。

また、図１６及び図１７に示すように、励起光Ｌｅの入射方向に可視出射光Ｌｆを出力する放物曲面状の反射鏡４０ａを配置してもよい。発光素子１２の励起光Ｌｅは反射光４０ａに設けられた開口部４４から発光体１４に入射する。発光体１４の上面及び側面から出力された可視出射光Ｌｆは、反射鏡４０ａにより反射されて発光素子１２から発光体１４に向かう方向に取り出される。また、実装基板１０に貫通孔５０を設けて、発光膜２２の底面から出力される可視出射光Ｌｆを取り出せるようにしてもよい。このように、指向性に優れた可視出射光Ｌｆを効率よく取り出すことができる。

また、発光体１４の形状は、図１及び図２に示した矩形状に限定されない。図１８に示すように、励起光の入射方向に対して垂直に切った断面において半円状の発光体１４であってもよい。更に、図１９に示すように、半透過膜２０側が反射膜２４側より幅の広い台形状の発光膜２２を有する発光体１４を用いてもよい。このように、発光膜２２の形状を半円形状あるいは台形状にすることによって、可視出射光の取り出し効率を向上させることが可能となる。

また、可視出射光の取り出し効率を向上させるため、図２０に示すように、励起光の入射方向に沿って切った断面において発光膜２２の端面を凸状に丸くしてもよい。

更に、図２１に示すように、半透過膜２０ａに開口部５２を設けてもよい。励起光Ｌｅを開口部５２から発光膜２２に直接入射させることができる。この場合、半透過膜２０ａとして、励起光Ｌｅの波長を選択的に反射することが可能な誘電体多層膜ＤＢＲを用いることができる。入射した励起光を発光体１４の内部に閉じ込めることができ、発光効率を向上させることが可能となる。

（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係る発光体１４は、図２２に示すように、半透過膜２０と、第１発光膜２２ａと、透明膜２６と、第２発光膜２２ｂと、反射膜２４を備える。第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂのそれぞれには、例えば補色関係で白色を構成できる黄色及び青色蛍光体がそれぞれ含有されている。なお、半透過膜２０の最適な反射率は、図５に示した厚さと反射率の関係より求めることができる。ここで、厚さとして、発光膜２２ａ、２２ｂそれぞれの厚さの総和を用いる。

本発明の実施の形態の変形例では、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂの間に透明膜２６を備える点が実施の形態とは異なる。他の構成は実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

透明膜２６として、光透過性を有する樹脂等が使用可能である。樹脂としては、光透過性が高くかつ熱に強い任意の樹脂を用いることができる。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられる。特に、入手し易く、取り扱い易く、しかも安価であることから、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂が好適である。また、樹脂以外にも、ＳｉやＴｉ等の酸化物を主成分とするガラス、焼結体、セラミックス構造体等を用いることができる。

例えば、第１及び第２発光膜を隣接して配置した場合、第１及び第２発光膜界面で混色が起こる。第２発光膜で放射される青色可視光は、第１発光膜で放射される黄色可視光より波長が短い。したがって、青色可視光が第１発光膜で吸収され、色合いが変化し、発光効率が低下する。

本発明の実施の形態の変形例では、透明膜２６の屈折率を、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂより小さくする。例えば、第１発光膜２２ａで放射される黄色可視光は、透明膜２６との界面で反射され透明膜２６の中に入射され難くなる。同様に、第２発光膜２２ｂで放射される青色可視光は、透明膜２６との界面で反射され透明膜２６の中に入射され難くなる。その結果、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂ間の混色を抑制することができる。

また、第２発光膜２２ｂの屈折率を第１発光膜２２ａより大きくすることが望ましい。第２発光膜２２ｂと透明膜２６との屈折率の差が大きいため、青色可視光を第２発光膜２２ｂ中に閉じ込めることができる。黄色可視光は第２発光膜２２ｂに入射しても吸収されない。その結果、発光体１４から出力される可視出射光の色合いの変化を抑制することができる。更に、第２発光膜２２ｂで放射される青色可視光の再吸収が低減して光取り出し効率を向上させることが可能となる。このように、本発明の実施の形態の変形例によれば、高エネルギの励起光を安全に利用することができ、高輝度の可視光を出力することが可能となる。

なお、上記の説明では、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂを備える発光体１４を例示している。しかし、発光膜は３以上の複数であってもよい。透明膜は、それぞれの発光膜の間に設けられる。

例えば、図２３に示すように、第１発光膜２２ａ、第２発光膜２２ｂ、及び第３発光膜２２ｃのそれぞれには、光の三原色で白色を構成することができるＲＧＢ３色の蛍光体それぞれが含有される。第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂの間に第１透明膜２６が設けられる。第２及び第３発光膜２２ｂ、２２ｃの間に第２透明膜３６が設けられる。第１透明膜２６の屈折率は、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂよりも小さい。第２透明膜３６の屈折率は、第２及び第３発光膜２２ｂ、２２ｃよりも小さい。したがって、第１〜第３発光膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃのそれぞれで放射されるＲＧＢ３色の可視光の間の混色を抑制することができる。その結果、青色や緑色の可視光の再吸収を低減することができ、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

また、可視出射光の取り出し効率を向上させるため、図２４に示すように、励起光の入射方向に沿って切った断面において第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂの端面を凸状に丸くしてもよい。

また、透明膜２６は、複数の透明膜であってもよい。図２５に示すように、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂの間に第１〜第３透明膜２６ａ、２６ｂ、２６ｃが設けられる。例えば、第１〜第３透明膜２６ａ、２６ｂ、２６ｃの屈折率を第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂより小さくする。また、第１〜第３透明膜２６ａ、２６ｂ、２６ｃそれぞれの屈折率を、黄色蛍光体を有する第１発光膜２２ａ側から青色蛍光体を有する第２発光膜側に向かって屈折率が小さくなるように傾斜させる。更に、第２発光膜２２ｂの屈折率を第１発光膜２２ａと等しいか大きくする。

第２発光膜２２ｂと第３透明膜２６ｃとの間の屈折率の差は最大となる。したがって、第２発光膜２２ｂで放射される青色可視光は、第２発光膜２２ｂと第３透明膜２６ｃとの境界で反射され第１発光膜２２ａに入射し難くなる。その結果、可視出射光の色合いの変化を抑制することができ、第２発光膜２２ｂで放射される青色可視光の再吸収を低減させて光取り出し効率を向上させることが可能となる。

また、隣接する第１発光膜２２ａから第３透明膜２６ｃのそれぞれの間の屈折率の差が、第１発光膜２２ａ及び第３透明膜２６ｃの屈折率の差よりも小さい。したがって、励起光は第２発光膜２２ｂ内の中まで透過し易くなる。その結果、第１及び第２発光膜２２ａ、２２ｂの励起光の吸収を高めることができ、発光効率を向上することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施の形態においては、白色光を放射する発光体を用いた発光装置を示している。しかし、白色光に限定されず、他の色の可視光を放射する発光体を用いてもよい。例えば、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、紫、白等の可視光を放射する発光体を用途に応じて用いることができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の用途として、一般照明器具、業務用照明器具、又はテレビジョン若しくはパーソナルコンピュータの液晶表示装置のバックライト、又は自動車、自動二輪車若しくは自転車のライト等に使用することができる。

このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態の説明に用いる図である。
本発明の実施の形態に係る発光装置の一例を示す平面図である。 図１に示した発光装置のＡ−Ａ断面を示す概略図である。 図１に示した発光装置のＢ−Ｂ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光膜の厚さと半透過膜の反射率の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置に用いる発光素子の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置に用いる発光素子の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置に用いる発光素子の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置に用いる発光素子の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の例を示す断面図である。 図１４に示した発光装置のＣ−Ｃ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の例を示す断面図である。 図１６に示した発光装置のＤ−Ｄ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の他の例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光体の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る発光体の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る発光体の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る発光体の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る発光体の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１０…実装基板
１２…発光素子
１４…発光体
２０…半透過膜
２２…発光膜
２４…反射膜

Claims (18)

1. 発光素子と、
   前記発光素子と対向して配置され、前記発光素子から照射される励起光を透過させる半透過膜と、
   前記半透過膜を透過した前記励起光を吸収して前記励起光とは波長の異なる可視出射光を出力する蛍光体を含む発光膜と、
   前記発光膜に関して前記半透過膜の反対側に配置され、少なくとも前記励起光を前記発光膜に向けて反射する反射膜
   とを備えることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光膜が、前記励起光に対して透明な透明基板を有し、前記透明基材に前記蛍光体を分散していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記半透過膜及び前記反射膜の間に、互いに異なる波長の前記可視出射光を出射する複数の発光膜を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記複数の発光膜の中で、最も短い波長の前記可視出射光を出射する発光膜が最も大きな屈折率を有することを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
5. 前記複数の発光膜の間に、前記励起光に対して透明な透明膜を更に備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の発光装置。
6. 前記透明膜が、前記可視出射光に対して前記複数の発光膜より小さな屈折率を有することを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記反射膜側の前記発光膜から出射される前記可視出射光の波長が短いことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記発光膜が、互いに異なる波長の前記可視出射光を出射する複数の蛍光体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
9. 前記反射膜が、前記励起光に対する反射率が８０％以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記反射膜が、金属膜であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光装置。
11. 前記反射膜が、前記励起光の波長未満の光を選択的に反射する誘電体多層膜分布ブラグ反射鏡であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光装置。
12. 前記半透過膜が、金属膜及び誘電体多層膜のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発光装置。
13. 前記半透過膜が、開口部を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光装置。
14. 前記発光素子が、４３０ｎｍ以下の波長領域に発光ピークを有する半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発光装置。
15. 前記発光素子が、端面発光型の半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発光装置。
16. 前記発光素子が、面発光型の半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発光装置。
17. 前記発光素子が、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムの中の少なくとも一つを含む窒化物半導体の発光層を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の発光装置。
18. 前記発光素子が、マグネシウム及び亜鉛を少なくとも一つ含む酸化物半導体の発光層を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の発光装置。

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