JP2009016543A

JP2009016543A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2009016543A
Application number: JP2007176207A
Authority: JP
Inventors: 敦智 ▲濱▼; Atsutomo Hama; Naoto Morizumi; 直人森住
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: JP5034719B2

Abstract

【課題】
高出力と安全性とを兼ね備えた半導体発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を外部へ取り出すことが可能な透光性部材と、前記透光性部材に具備され前記半導体発光素子からの光を吸収して他の光を発光することが可能な波長変換部材と、を備えた発光装置において、前記波長変換部材から発光される光を検出することが可能な受光素子を有していることを特徴とする。さらに、前記受光素子は、受光面に前記半導体発光素子からの光を選択的に反射することが可能な波長選択フィルタを有していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置、照明器具、ヘッドライト、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源、プロジェクタ装置、レーザディスプレイ、内視鏡などに利用可能な発光装置に関し、特に、半導体発光素子と受光素子を用いた発光装置に関する。

半導体発光素子を用いた発光装置として、光源である半導体発光素子からの光を波長変換する部材を用いた構造が知られている。例えば、電力効率が高く、良好な電力消費特性を有する白色光源用半導体発光装置として、半導体発光素子に可視光のレーザダイオードを使用し、レーザダイオードの発光方向に配置された透明キャップに蛍光物質組成物を固定配置し、これらの混色により白色光を得ることが可能な発光装置が開示されている。

特開２００５−２００１０号公報

しかしながら、上記構成では、蛍光物質組成物の脱落もしくは破壊が発生すると、レーザダイオードからの光が直接外に漏れ出す危険がある。レーザダイオードや高出力タイプの半導体発光素子からの光が直接目に入射すると、眼球に損傷を与える危険性が高いことから、上記のような発光装置は、人体を直接照射するディスプレイや内視鏡、照明装置、露光装置などに利用するには不向きであった。

そこで本発明は、高出力と安全性とを兼ね備えた半導体発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の半導体発光装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子からの光を外部へ取り出すことが可能な透光性部材と、前記透光性部材に具備され前記半導体発光素子からの光を吸収して他の光を発光することが可能な波長変換部材と、を備えた発光装置において、前記波長変換部材から発光される光を検出することが可能な受光素子を有していることを特徴とする。

また、前記受光素子は、受光面に半導体発光素子からの光を選択的に反射することが可能な波長選択フィルタを有していることが好ましい。

さらに、前記受光素子の検出値の低下に基づいて、前記半導体発光素子の発光を止めることが可能な発光制御手段を有していることが好ましい。

本発明の半導体発光装置によれば、波長変換部材の脱離を即座に感知することが可能である。これにより、高出力と信頼性とを兼ね備えた発光装置を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下に限定するものではない。

また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。以下、図面を参照しながら本形態に係る発光装置について説明する。

図１は、第一の実施の形態の半導体発光装置１００を示す模式的断面図である。この半導体発光装置１００は、ステム底部１１０の上面から直立した柱状のステム柱部１１１が載置されている。ステム柱部１１１の側面には、半導体発光素子１２０が固定されている。また、ステム底部１１０の厚さ方向には、絶縁性部材（図示していない）を介して複数のリード１１２がステム底部１１０の上面側から底面側に貫通固定されている。ステム底部１１０の上面側に延伸したインナーリード部は、半導体発光素子１２０とワイヤー（図示していない）を介して電気的に接続されている。一方、ステム底部１１０の底面側に延伸したアウターリード部は、回路基板などに実装されて外部の電極と電気的に接続される部位である。さらに、ステム底部１１０の縁周近傍であって、ステム底部１１０の上面側に、半導体発光素子１２０を覆うように中空のキャップ１４０が接着されており、前記キャップ１４０の上面のうち前記半導体発光素子１２０と対向する部位は、光取出用の窓として透光性部材１４１にて構成されている。ここで、本明細書において上面とは、半導体発光装置の発光が観測される側を示し、底面とは、半導体発光装置の実装側を示す。

特に本発明の発光装置は、搭載される半導体発光素子１２０からの光を吸収して他の光を発光することが可能な波長変換部材１５０が上記透光性部材１４１に含有されているとともに、前記半導体発光素子１２０側に前記波長変換部材からの光を検出することが可能な受光素子１３０が搭載されている。以下、個々の部材について説明する。

（半導体発光素子１２０）
半導体発光素子１２０は、発光ダイオード、半導体レーザ素子など、種々のものを利用することができる。特に本発明の発光装置は、後述する波長変換部材１５０の脱落及び破壊を即座に感知することができることから、直接人体に照射すると危険な発光出力の大きい発光ダイオードや指向性が高い半導体レーザを用いることができる。また、本実施の形態で用いられる半導体発光素子は、一方の端面から光を発光するものが好ましく、これにより発光装置の出力が向上する。

（ステム底部１１０、ステム柱部１１１）
本実施の形態の半導体発光素子１２０は、ステム１１０、１１１のいずれの部分に固定してもよく、固定場所との間にヒートシンクを介して固定してもよい。図１のように、半導体発光素子１２０をステム底部１１０の上面側に固定されたステム柱部の側面に固定すると、容易に装置を小型にすることができる。半導体発光素子および後述する受光素子は、ダイボンド部材（図示していない）を用いて固定されている。ダイボンド部材は、ボンディング強度が強いものであれば特に限定されないが、放熱性の優れたはんだ材、Ａｕ−ＳｎやＡｇペースト、Ｉｎ合金等を用いることが好ましい。

これらのステム１１０，１１１の材料は、熱伝導率の良い材料で構成されていることが好ましい。具体的には銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、鉄および銅・タングステン合金などがあげられる。また、ステム底部１１０は、後述するキャップ１４０と接着されるため、ステム底部１１０の少なくとも表面はキャップ１４０の表面材質と密着性の良い材料にて構成されていることが好ましい。

（受光素子１３０）
本実施の形態の受光素子１３０は、ステム柱部１１１に固定されているが、後述する波長変換部材１５０からの光を検出可能な位置に固定されていれば特に限定されず、ステム底部１１０や後述するキャップ１４０の内壁に固定してもよいし、固定場所との間にヒートシンクをさらに介して固定してもよい。本発明において、半導体発光素子１２０の出射端面から出た光の一部は、波長変換部材１５０にて変換された後、透光性部材１４１で反射して、受光素子に入射される。これにより、波長変換部材１５０に脱落および破壊が生じた場合に即座に感知することが可能である。また、感知と同時に動作停止させることで、人体に対して危険性の高い半導体発光素子１２０の光の外部放出を防止することができる。

本発明で用いられる受光素子１３０は、後述する波長変換部材１５０にて変換された光を光電変換して検出することが可能であれば特に限定されないが、受光素子１３０自体が半導体発光素子１２０からの光に対して受光感度がないものを用いることが好ましい。ここで、波長変換部材から発光される光を光電変換して検出することが可能とは、波長変換部材から発光される光の一部に感度を有し、具体的には波長に対する変換効率が１０％以上のものが好ましく、より好ましくは変換効率が３０％以上のものが好ましい。

例えば、半導体発光素子１２０の発光する光を長波長変換することが可能な波長変換部材１５０を用いた場合、好ましい半導体受光素子として、光受光面側から、反射防止膜、ｎ型ＩｎＰ基板、ＩｎＧａＡｓＰ第１吸収層、ｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ⁻型ＩｎＧａＡｓ第２吸収層、ｐ型拡散層領域、無反射膜、を順じ有する半導体受光素子があげられる。この半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓＰ第１吸収層のバンドギャップ波長より長波長の光をｎ⁻型ＩｎＧａＡｓＰ第２吸収層に達した後に光電流として取り出し、ＩｎＧａＡｓＰ第１吸収層のバンドギャップ波長より短波長の光をＩｎＧａＡｓＰ第１吸収層で吸収することができる。

（キャップ１４０）
本実施の形態の半導体発光装置１００のキャップ１４０は、半導体発光素子１２０と対向する部位が厚さ方向に貫通しており、その貫通孔を塞ぐように、後述する波長変換部材１５０が含有された透光性部材１４１が固定されている。本実施の形態の貫通孔を構成する貫通孔の内壁は、底面側から上面側へ貫通孔のサイズが大きくなるように傾斜している。これにより、波長変換部材１５０の光吸収率および透光性部材１４１からの光取出し効率をともに高めることができる。また、本発明の半導体発光装置から外部へ取り出される光は、波長変換部材１５０を具備する透光性部材１４１の内部にて反射を繰り返した散乱光であることから、人体への危険性はきわめて低い。

本実施の形態において、波長変換部材１５０からの発熱は、キャップ１４０を経由してステム底部１１０へと伝熱される。一方、半導体発光素子１２０からの発熱も、ステム柱部１２０を経由してステム底部１１０へと伝熱される。したがって、キャップ１４０の材質は、熱伝導率の高いものが好ましく、具体的には、鉄、アルミニウム、銅、真鍮、ニッケルおよびそれらを含有する合金、たとえば、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）、ＳＰＣ、ステンレス、またはアルミナ、窒化アルミナ、ＳｉＣ等のセラミック系の材料があげられる。また、キャップ１４０は、その壁面の下部にてステム底部１１０と接合するため、ステム底部１１０の部材との接合性を考慮して材質を決定するのが好ましい。具体的には、鉄、アルミニウム、銅、真鍮、ニッケルおよびそれらを含有する合金、たとえば、コバール、ＳＰＣ、ステンレス等の材料があげられる。

（透光性部材１４１）
透光性部材の形状は、特に限定されず、従来から用いられているボールレンズや非球面レンズなどを用いることができる。本発明の実施の形態の透光性部材１４１は、キャップの貫通孔を塞ぐように材料を流し込み固化されたものである。この形成方法により、本実施の形態の透光性部材の側壁は、貫通孔を構成する貫通孔の内壁の形状に起因する。本実施の形態では、透光性部材１４１の側壁は、側壁と上面との成す角度が鈍角となるように傾斜しており、これにより、発光装置の光取り出し効率を高めることができる。一方、透光性部材１４１の側壁を、側壁と上面との成す角度が鋭角となるように傾斜させたい場合、予め透光性部材を形成し、そのサイズよりも一回りサイズの小さい相似形の貫通孔をキャップに設け、貫通孔の底面側から透光性部材を圧入して固定する方法を用いることが好ましい。これにより、透光性部材１４１の底面側の一部をキャップ貫通孔の内壁側に係り止めすることができ、透光性部材１４１の脱落を防止することができる。

また、本発明における透光性部材は、上記構成に限定されず、キャップの貫通孔を塞ぐように、透光性部材の取り出し側の一部がキャップの内壁と接するように固定することもできる。このような構成とすることで、微小光源を発光する発光装置を容易に形成することができる。

（波長変換部材１５０）
本発明の透光性部材１４１には、半導体発光素子１２０からの光を吸収して他の光を発光することが可能な波長変換部材が具備されている。本実施の形態の発光装置は、キャップ１５０の貫通孔を塞ぐように設けられた透光性部材１４１中に蛍光物質が含有されており、半導体発光素子１２０の光と波長変換部材１５０で波長変換された光との混色光を外部に取り出すことが可能な発光装置であり、必要に応じて波長変換部材１５０を選択することで、所望の波長を得ることができる。

代表的な蛍光物質としては、銅で付括された硫化カドミ亜鉛やセリウムで付括されたＹＡＧ系蛍光物質及びＬＡＧ系蛍光物質があげられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）等が好ましい。

本実施の形態の波長変換部材１５０は、透光性部材１４１中において、配置密度は均一であることが好ましく、これにより均一な光を発光する発光装置を得ることができる。また、目的に応じて、波長変換物質が部分的に偏在するように配置することもできる。例えば、透光性部材１４１の底面側には波長変換物質が少なく、上面側には波長変換物質が多く含まれるよう偏在させると、半導体発光素子１２０で発生した熱や高密度な光エネルギーを波長変換物質に伝達し難くして波長変換物質の劣化を抑制できる。

また、波長変換物質は、２種類以上の蛍光物質を混合させてもよい。具体的には、半導体発光素子の発光波長に合わせてＣＩＥの色度図上の色度点の異なる蛍光物質の量を調整し含有させることでその蛍光物質間と半導体発光素子で結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。複数の種類の蛍光物質を用いる場合、全ての蛍光物質を混合して配置してもよいし、各蛍光物質からなる層を積層してもよい。後者の場合、各層における蛍光物質の分散状態を均一にすることが好ましく、これにより波長変換物質の部位によらず均一に波長変換を行い、ムラのない均一な混色光を得ることができる。

（拡散剤等）
また、透光性部材１４１は、波長変換物質の他、粘度増量剤、光拡散物質、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができる。光拡散物質として例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、および、これらを少なくとも一種以上含む混合物等を挙げることができる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルタ効果を持たせたフィルタ材として各種着色剤を添加させることもできる。

光拡散物質と、蛍光物質等の波長変換物質を併用することで、半導体発光素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることによって生じやすい色ムラを抑制することができるので、好適に使用できる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。

（波長選択フィルタ２３１）
図２は、本発明の第二の実施の形態の模式的断面図を示す。本実施の形態では、第一の実施の形態の発光装置において、波長変換部材１５０からの光を含んだある範囲の波長に対して受光感度がある受光素子２３０を用い、受光素子２３０の受光面に波長変換部材１５０からの光を透過するとともに半導体発光素子１２０からの光を遮断する波長選択フィルム２３１を設けたものである。特に、波長変換フィルム２３１は、半導体発光素子１２０からの波長の光を反射するものが好ましく、これにより、受光素子の感度を波長変換部材から発光される光に対してのみに応答させることができるとともに、半導体発光素子の戻り光を再び光取り出し側である波長変換部材側へ効率よく反射させることで、発光装置の出力を高めることができる。このような波長選択フィルタは、誘電体多層膜で構成されることが好ましく、酸化物、窒化物、フッ化物など、従来から利用されている透光性フィルム材料を用いることができる。

図３は、本発明の第三の実施の形態の模式的断面図を示す。この発光装置３００は、第一の実施の形態と同様に、ステム底部１１０の上面から直立した柱状のステム柱部１１１に半導体発光素子１２０および受光素子１３０が固定され、半導体発光素子１２０を覆うように透光性部材１４１を上面に有する中空のキャップ１４０が接着されている。さらに第三の実施の形態の発光装置３００は、キャップ１４０を覆う枠体３４０を有しており、該枠体３４０は、キャップ１４０の透光性部材１４１と対向する部位に貫通孔を有し、該貫通孔にフェルール３４４を介して導光部材３４３の一方の端部が固定されている。導光部材３４３の他方の端部には、第二の透光性部材３４１が被覆部材３４２にて固定されており、該第二の透光性部材３４１に波長変換部材１５０が含有されている。第三の本実施の形態の受光素子１３０は、導光部材３４３の他方の端部に固定された波長変換部材１５０が脱落および破壊した場合を即座に感知することが可能である。その他、第一の実施の形態に係る発光装置１００と、ほぼ同様の構成を採るところは説明を省略する。

(枠体３４０)
枠体３４０の上面は、厚さ方向において、枠体３４０の内外と開通した貫通孔が形成されており、該貫通孔にフェルール３４４を介して屈曲可能な導光部材３４３が固定されている。枠体３４０は、熱源である半導体発光素子１２０を覆うキャップ１４０と離間していることが好ましく、これにより、熱による枠体３４０の損傷を低減することができる。枠体３４０の材質は、熱伝導率の高いものが好ましく、SPC、コバール、アルミニウム、銅、真鍮、ニッケル、またはアルミナ、窒化アルミナ、ＳｉＣ等のセラミック系のものが好適に挙げられる。また、枠体３４０は、その下端面においてステム底部１１０と接着するので、ステム底部１１０の部材との接着性を考慮して材質を決定するのが好ましい。なお、枠体３４０とステム底部１１０との固着は、抵抗溶接のほか、ＹＡＧレーザ溶接あるいは他の溶接方法を用いてもよい。

（導光部材３４３）
第三の実施の形態は、屈曲可能な導光部材３４３を用いているが、これに限定されず、光源からの光を波長変換部材１５０まで導くものであれば特に限定されず、板状やファイバ状のものなど、所望に応じて種々の形状のものを用いることができる。長手方向に延伸するとともに屈曲可能に構成された導光部材を用いると、所望の位置に光を容易に導出することができ、好ましい。

導光部材３４３は、半導体発光素子１２０から射出された光を減衰されることなく波長変換部材１５０へ導出するものがエネルギー効率の観点から好ましく、例えば、高屈折率を有するものと低屈折率を有するものとを組み合わせたものや、反射率の高い部材を用いたものを使用することができる。このような導光部材として、光ファイバを用いることが好ましい。光ファイバは、光を伝送する際に、光の伝送路として用いる極めて細いグラスファイバである。石英ガラスやプラスチックを材料とし、断面の中心部（コア）の屈折率を周辺部（クラッド）より高くすることで、光信号を減衰させることなく送ることができる。光ファイバは、屈曲可能であるため所望の位置に照明光２を照射することができ、湾曲に曲げることもできる。光ファイバは、単線ファイバとすることができる。単線ファイバのコア径が４００μｍ以下であることが好ましい。

（被覆部材３４２）
導光部材３４３の先端、つまり光源に接続されていない端部は、被覆部材３４２によって支持されていることが好ましい。このような被覆部材３４２により、導光部材３４３からの出射光を固定することが容易となる。また、その材料や形状に応じて発光効率を向上させることができるとともに、複数の導光部材３４３に波長変換部材１５０を光学的に連結させる際に、発光装置としての組み立てが容易となる。したがって、被覆部材３４２は、導光部材３４３を支持し得るものであれば、どのような材料及び形状で構成されていてもよい。

被覆部材３４２は、励起光及び／又は波長変換された光を反射する材料、又は波長変換ロスによって発生した熱を逃がす材料、つまり光に対する反射率が高い、熱伝導性が高い、いずれかの材料又はこれらの性質の両方を備える材料で形成されていることが好ましい。例えば、励起光及び／又は波長変換された光に対して８０％以上の反射率及び／又は０．１Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導性を有するものが好ましい。具体的にはＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、ステンレス、真鍮、カーボン、銅、硫酸バリウム等が挙げられる。なかでも、Ａｇを用いた場合には、反射率と熱伝導性が高いため、好ましい。

被覆部材３４２は、例えば、複数の導光部材３４３の外周を取り囲むような円筒形状であってもよいし、導光部材３４３の端面に種々の機能を付与するために各種の機能膜／部材等が一体的に又は別個に取り付けられたものでもよいし、導光部材３４３の端面や各種機能膜／部材等を被覆するためのカバー又はキャップ等が一体的に又は別個に取り付けられたものでもよい。

（透光性部材３４１）
第三の本実施の形態で用いられる透光性部材３４１の材料は、半導体素子１２０および波長変換部材１５０からの光を透過することが可能であれば特に限定されず、樹脂、ガラス、および結着剤など、を用いることができる。

図４に本発明の第四の実施の形態の模式的断面図を示す。この発光装置は前述した第３の実施形態の変形例であり、透光性部材１４０内に波長変換部材１５０が含有され、受光素子１３０は枠体３４０内壁面上に固定されている。このように、波長変換部材１５０の光取り出し方向に受光素子１３０を固定することで、効率よく波長変換部材１５０にて変換された光が、受光素子に入射され、波長変換部材１５０の脱落および破壊を感度良く感知することが可能である。

本発明の半導体発光装置は、各種表示装置、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源、さらには、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、プロジェクタ装置、レーザディスプレイ、内視鏡、車載用ヘッドライト、バーコードスキャナ等に好適に利用できる。

第一の実施の形態の半導体発光装置を示す模式的断面図である。第二の実施の形態の半導体発光装置を示す模式的断面図である。第三の実施の形態の半導体発光装置を示す模式的断面図である。第四の実施の形態の半導体発光装置を示す模式的断面図である。

符号の説明

１１０・・・ステム底部
１１１・・・ステム柱部
１１２・・・リード端子
１２０・・・半導体発光素子
１３０、２３０・・・受光素子
１４０・・・キャップ
１４１、３４１・・・透光性部材
１５０・・・波長変換部材
２３１・・・波長選択フィルタ
３４０・・・枠体
３４２・・・被覆部材
３４３・・・導光部材
３４４・・・フェルール

Claims

半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を外部へ取り出すことが可能な透光性部材と、前記透光性部材に具備され前記半導体発光素子からの光を吸収して他の光を発光することが可能な波長変換部材と、を備えた発光装置において、
前記波長変換部材から発光される光を検出することが可能な受光素子を有していることを特徴とする発光装置。
前記受光素子は、受光面に前記半導体発光素子からの光を選択的に反射することが可能な波長選択フィルタを有していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記受光素子の検出値の低下に基づいて、前記半導体発光素子の発光を止めることが可能な発光制御手段を有してい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。