JP2010192762A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数種類の蛍光体を含有する色変換プレートの各蛍光体から発せられた蛍光が他の蛍光体で吸収されにくく、発光素子からの光を効率よく各蛍光体に到達させることができ、かつ、色度むらを低減した発光装置を提供する。
【解決手段】色変換プレート5は、海領域21と島領域22とを含む海島構造であり、島領域22は、色変換プレートを厚み方向に貫通し、色変換プレートの上面および下面からその一部が露出されている。島領域22には第1の蛍光体が含有され、海領域21には第2の蛍光体が含有されている。第1の蛍光体の蛍光波長は、第2の蛍光体の蛍光波長よりも長波長である。長波長の第1の蛍光体が島の海島構造であるため、色度むらが生じにくく、かつ、2色の蛍光を直接上方から出射することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体発光素子の出射光を波長変換する部材を備えた半導体発光装置に関する。

半導体発光素子の上に、2種類以上の蛍光体層を配置することにより、半導体発光素子の光を2種類以上の波長光に変換し、これらの光が混合された光を出射する発光素子が知られている。

例えば特許文献1および特許文献2には、半導体発光素子上に、2層以上の蛍光体層を積層した構造が開示されている。2層以上の蛍光体層は、半導体発光素子からの光を吸収し、所定波長の蛍光を発する。このとき、半導体発光素子に近い側に配置される蛍光体層ほど蛍光波長が長くなるように積層順が設定されている。具体的には、青色光を発する半導体素子の上に、赤色蛍光を発する赤色蛍光体層、緑色蛍光を発する緑色蛍光体層をこの順に積層している。このような積層順にすることにより、赤色蛍光体層から発せられた赤色蛍光が、その上に配置された緑色蛍光体層によって吸収されないため、大きな発光輝度を得られる。

特許文献3には、紫外光を発する発光素子の上に、3層の蛍光体層を積層した板状部材を配置する発光装置が開示されている。3層の蛍光体層は、紫外光を吸収しそれぞれ赤色、緑色、青色の蛍光を発する蛍光体層であり、発光素子側からこの順に配置され、3色の光が混合された白色光を出射する。3層を上記配置とすることにより、各蛍光体層から発せられた蛍光がその上に配置された蛍光体層によって吸収されないため、取り出し効率を向上させることができる。

特許文献4では、発光素子の上に配置された色変換材を配置する構造において、観察する角度によって輝度むら、色むらが発生するのを解決するために、色変換材の面内濃度分布が中央から外周に向かって減少するようにしている。具体的には、透明部材に溝を設け、溝に蛍光体を充てんする構造とし、溝の深さを外周に行くほど浅くする、もしくは、溝の間隔を外周に行くほど広げる等した構成が開示されている。

特許文献5には、赤色、緑色、青色の各蛍光体のセルを平面状に敷きつめ、3種の蛍光体が光路方向に重ならない構成とし、各蛍光体から発生した蛍光が他の蛍光体に吸収されないようにした波長変換部が開示されている。

特開2004−179644号公報 特開2005−277127号公報 特開2007−134656号公報 特許第4123057号公報 特開2008−258171号公報

上述した特許文献1、2、3の構成はいずれも、赤色蛍光体の吸収端が緑色波長よりも長波長側に位置するため、赤色蛍光体層が緑色蛍光体層よりも上側に位置すると、緑色蛍光体層から発せられた緑色光が赤色蛍光体層によって吸収されてしまい、発光輝度が低下する現象を抑えるための構造である。しかしながら、このような構成の半導体発光装置では、発光素子、例えば青色発光素子から出射される光の大部分は、素子側に配置されている赤色蛍光体層で吸収されてしまい、吸収されなかった一部の光のみが緑色発光蛍光体層に到達して波長変換される。このため、半導体発光素子から出射された光を、励起光として効率よく利用することができないという問題がある。

同様に、紫外光を発する発光素子を用い、青、緑、赤色の3層の蛍光体層を積層する構成で混色による白色光を得ようとした場合、発光素子からの紫外光の大部分は緑、赤蛍光体に吸収され、青色蛍光体に到達する紫外光の強度が低減し、波長変換効率が悪い。

特許文献4に記載の技術は、観察する角度による輝度むらを低減するために、色変換材の面内濃度分布を調整しているが、使用する蛍光体は1種類であり、複数の蛍光体間の励起光や蛍光の吸収という問題を解決するものではない。

特許文献5に記載の技術は、3種類の蛍光体のセルを平面状に敷き詰める色変換部材を開示しているが、セルごとに発する蛍光の波長が異なるため、面内方向に色度むらが生じる可能性がある。

本発明の目的は、複数種類の蛍光体を含有する色変換プレートの各蛍光体から発せられた蛍光が他の蛍光体で吸収されにくく、発光素子からの光を効率よく各蛍光体に到達させることができ、かつ、色度むらを低減した発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様によれば、以下のような半導体発光装置が提供される。すなわち、発光素子と、発光素子の上に搭載され、発光素子の発する光を吸収し蛍光を発する第1及び第2の蛍光体を少なくとも含有する色変換プレートとを有し、色変換プレートは、海領域と、海領域に点在する島領域とを含む海島構造である。島領域は、色変換プレートを厚み方向に貫通し、色変換プレートの上面および下面からその一部が露出されている。島領域には第1の蛍光体が含有され、海領域には第2の蛍光体が含有されている。色変換プレートは、発光素子側の面にも上面にも海領域と島領域が露出しているため、それぞれの蛍光体を発光素子の光で同時に励起でき、しかも、上面から蛍光を直接出射させることができ、色変換効率を向上させることができる。

第1の蛍光体の蛍光波長は、第2の蛍光体の蛍光波長よりも長波長であることが望ましい。長波長の第1の蛍光体を島領域に含有することにより、短波長の第2の蛍光体の蛍光が第1の蛍光体に吸収されにくく、色むらを低減できる。

海領域には、第1の蛍光体の他に、第3の蛍光体が含有される構成にすることができる。第3の蛍光体の蛍光波長は、第1の蛍光波長よりも短波長であることが望ましい。これにより、色変換プレートにより3色の蛍光を発光させることができる。

海領域には、第1の蛍光体が含有された島領域とは別に、第3の蛍光体が含有された第2の島領域が点在して配置される構成とすることも可能である。第3の蛍光体の蛍光波長は、第1の蛍光波長よりも短波長であることが望ましい。

例えば、半導体発光素子は青色光を発光し、第1の蛍光体は、青色光を吸収し、赤色の蛍光を発するものを用い、第2の蛍光体は、青色光を吸収し、緑色の蛍光を発するものを用いることが可能である。

また、半導体発光素子は紫外光を発光し、第1の蛍光体は、紫外光を吸収し、赤色の蛍光を発するものを用い、第2の蛍光体は、紫外光を吸収し、緑色の蛍光を発するものを用い、第3の蛍光体は、紫外光を吸収し、青色の蛍光を発するものを用いることが可能である。

実施形態1のフリップチップ型の半導体発光装置の(a)断面図、(b)上面図。 図1の半導体発光装置の色変換プレート5の(a)断面図、(b)上面図。 実施形態1の赤色蛍光体および緑色蛍光体の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを示すグラフ。 (a)〜(c)実施形態1の色変換プレート5の製造工程を示す説明図。 実施形態3のメタルボンディング型の半導体発光装置の(a)断面図、(b)上面図。

本発明の一実施の形態の発光装置について図面を用いて説明する。

<実施形態1>
実施形態1の発光装置は、青色発光のフリップチップ素子の出射する青色光の一部を、色変換プレートによって赤色光と緑色光に変換し、青、赤、緑色光が混色された白色光を発光する装置である。

図1(a),(b)に実施形態1の発光装置の断面図および上面図を示す。予め電極や配線が形成された基板1上には、図1(a)にしめすようにAuバンプ2によりフリップチップ型の半導体発光素子3が実装され、その上に、透明接着層4を介して色変換プレート5が搭載されている。半導体発光素子3および色変換プレート5の側面は、光反射枠部6によって包囲されている。

フリップチップ型半導体発光素子3は、図示していないが、青色光に対して透明な素子基板と、その上に積層された発光層とを有し、発光層を基板1側に、素子基板を色変換プレート5側に向けて配置されている。

色変換プレート5は、図2(a)、(b)にその断面図と上面図とを拡大して示したように、板状の領域21と、当該板状の領域21の厚さ方向に設けられた複数の円柱状の領域22とを有する。複数の円柱状の領域22は、主平面方向に2次元に配列して配置されている。

板状の領域21には、青色光を吸収して緑色の蛍光を発する蛍光体(緑色蛍光体と称する)が分散されている。円柱状の領域22には、青色光を吸収し赤色の蛍光を発する蛍光体(以下、赤色蛍光体と称する)が分散されている。

すなわち、色変換プレート5は、緑色蛍光体の領域21(海領域)に円柱状の赤色蛍光体領域22が島状に点在する海島構造のプレートである。

赤色蛍光体領域22の赤色蛍光体としては、青色光を吸収し赤色蛍光を発する、例えばCaAlSiN3:Eu、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu、(Ca,Sr)S:Euを用いる。緑色蛍光体領域21の緑色蛍光体として、青色光を吸収し緑色蛍光を発する例えば(Ba,Sr)2SiO4:Eu、CaSc2O4:Ce、(Ca,Sr)Ga2S4:Eu、Ca8MgSi4O16Cl2:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Euを用いることができる。また、赤色蛍光体領域22の基材となる材料としては、赤、緑および青色光に対して透明な材料であって、印刷手法によって成型可能な材料であることが望ましく、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。緑色蛍光体領域21の緑色蛍光体を分散させる基材となる材料としては、赤、緑および青色光に対して透明な材料であって、例えば射出成型や金型成型で所定形状に加工可能な材料であることが望ましく、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、もしくはその複合樹脂等の樹脂やガラスを用いることができる。

色変換プレート5から発せられる白色光の色度や輝度の均一性は、島状の赤色蛍光体領域22の径に影響を受けるため、必要とされる色度の均一性が得られるように赤色蛍光体領域22の円柱の径を調整する。たとえば、色変換プレート5の一辺が1mm程度である場合には、一つの赤色蛍光体領域22の径は20μm以上200μm以下程度であることが色度の均一性が高いため望ましい。

透明接着層4は、半導体素子3に色変換プレート5を接着する接着剤の層であり、少なくとも青色光に透明な材質からなる。

光反射枠部6は、樹脂に屈折率の異なるフィラーを分散した材料によって構成されている。フィラーとしては、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、硫酸バリウムなどから適宜選択して用いる。

このような本実施形態の発光装置において、発光素子3から出射された青色光は、透明接着層4を通過し、色変換プレート5の下面(発光素子3側の面)に入射する。図2(a)に示すように、色変換プレート5の下面には、円柱状の赤色蛍光体領域22の下面が点在して露出し、その間を海状に緑色蛍光体領域21が広がっている構成であるため、青色光は赤色蛍光体領域22にも緑色蛍光体領域21にもそれぞれ直接入射し、それぞれの蛍光体を励起する。これにより、赤色蛍光体領域22では赤色蛍光が発せられる。緑色蛍光体領域21では緑色蛍光が発せられる。

円柱状の赤色蛍光体領域22で生じた赤色蛍光は、緑色蛍光体領域21との界面を通って緑色蛍光体領域21に入射し、緑色蛍光体領域21を通過し、色変換プレート5の上面から出射される。このとき、緑色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、図3に示すように赤色光波長領域よりも短波長側に位置するため、赤色蛍光は緑色蛍光体領域21で吸収されることなく透過することができ、赤色蛍光強度が減衰しない。

一方、海領域である緑色蛍光体領域21で生じた緑色蛍光のうち上方へ向かう光は、赤色蛍光体領域22を通過することなく、色変換プレート5の上面から出射される。赤色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、緑色光波長領域にかかっているため、赤色蛍光体は緑色蛍光を吸収するが、本実施形態では、赤色蛍光体を円柱形状の島状に存在するのみで、海状の緑色蛍光体領域21で生じた緑色蛍光は多くは赤色蛍光体領域22を通過しないで色変換プレート5の上面に到達することができる。よって、緑色蛍光の赤色蛍光体による吸収は少なく、効率よく緑色蛍光も出射することができる。

発光素子3から出射され色変換プレート5に入射した青色光の一部は、赤色蛍光体領域22および緑色蛍光体領域21を透過し、色変換プレート5の上面から出射される。

よって、色変換プレート5の上面からは、赤色光、緑色光、青色光の混色された白色光が出射される。

また、発光素子3と色変換プレート5の側面には、光反射枠部6により包囲されているため、発光素子3の透明性基板の側面から出射した光を効率よく色変換プレート5に導くことができる。また、色変換プレート5の側面から出射する光を上面方向に導くことができる。これにより、色変換プレートの色変換効率および出射効率を高めることができる。

このように、本実施形態の色変換プレート5は、海部である緑色蛍光体領域21と島部である赤色蛍光体領域22が、発光素子3の光路方向(色変換プレート5の厚み方向)に重ならない構造であるため、赤色蛍光体と赤色蛍光体を効率よく励起できる。

また、緑色蛍光体領域21を海部、赤色蛍光体領域22を島部とし、海部が点在する島部を主平面方向において取り囲んでいるため、赤色光と緑色光とが均一に混合され、色度むらや輝度むらの少ない白色光を発することができる。

実際に発光素子3から放射された青色光の光路に沿って色変換作用を説明すると、青色光は海部である緑色蛍光体領域21を通過する際にその一部が緑色蛍光体により波長変換され、混色光である青緑光になる。また、島部である赤色蛍光体領域22を通過する際にその一部が赤色蛍光体により波長変換され、混色光である赤紫光となる。さらに、海部の緑色蛍光体領域21および島部である赤色蛍光体領域22から水平方向に相互に緑色光と赤色光が干渉し合うことにより、黄色光が生じる。このように、光成分が分解、合成されることにより極めて均一で、かつ波長変換効率の高い混合白色光が得られる。

本実施形態の発光装置は、赤色蛍光体領域22に含有される蛍光体量および円筒径を調整することにより、赤色光の強度を調整することができる。円筒径を調整することにより、緑色蛍光体領域21に入射する青色光の光量が変化するため、緑色蛍光体量も変化する。よって、これらを調整することにより、白色光の色度や輝度を所望の値に変化させることができる。

また、本実施形態の色変換プレート5は一般的な印刷法を利用し、多数枚を連続した1枚の大面積プレートとして製造した後、個々に切り出して多数枚を一度に製造することが可能である。よって、個々の色変換プレート5の色変換機能は、同一ロット(同一大面積プレート)内で一定であり、個々の半導体発光素子に色変換材を塗布形成していた従来技術と比較して製品の色バラツキ歩留まりを大幅に向上させることができる。

以下、本実施形態の発光装置の製造方法の一例について説明する。

色変換プレート5は図4(a)〜(c)のようにして作製される。予め緑色蛍光体が所定濃度分散された樹脂またはガラスによって形成された基板を用意する。例えば、溶融ガラス成形プレートや、エポキシ樹脂シリコーン樹脂、もしくはその複合樹脂を用いた射出成形プレートなどである。この緑色蛍光体基板の片面に、図4(a)のように所定の直径、間隔で配置された円筒形の貫通孔41を金型により転写成形する。このプレートが緑色蛍光体領域21(海部)となる。

次に、図4(b)のように赤色蛍光体を所定濃度で分散させた熱硬化性樹脂42を、スキージ印刷法などで凹部41に充填して硬化させる。充填された樹脂が赤色蛍光体領域22となる。

最後に、図4(c)のように切削歯43等で発光素子3のサイズと同等もしくはそれ以上のサイズに分割し、色変換プレート5を製造する。

別途用意しておいた基板1上にAuバンプ2により、半導体発光素子3をフリップチップ実装する。その上に透明接着材を塗布することにより、透明接着層4を形成し、その上に上記工程で製造した色変換プレート5を、赤色蛍光体領域22が形成されている側の面を発光素子3側に向けて搭載する。

最後に、熱硬化性樹脂等の樹脂に酸化チタン等のフィラーを分散させたものを発光素子3および色変換プレート5の側面全周にディスペンサー塗布装置等で塗布した後硬化させる。以上により、図1(a),(b)の発光装置が完成する。

<実施形態2>
本発明の実施形態2の発光装置として、紫外光を発光する素子を用いた発光装置について説明する。

実施形態1では、青色発光素子3を用い、色変換プレート5として緑色蛍光体領域21に赤色蛍光体領域22を点在させた装置を説明したが、紫外光を発光する発光素子を用い、色変換プレートによって、紫外光を赤、緑、青色光に変換し、これらを混色した白色光を発光する構造にすることも可能である。

たとえば、実施形態1の色変換プレート5の緑色蛍光体領域21に緑色蛍光体の他に、紫外光を励起光として青色蛍光を発する蛍光体(青色蛍光体)を分散させる。これにより、海部である領域21から緑色蛍光の他に青色蛍光が発せられ、島部である赤色蛍光体領域22から発せられた赤色蛍光と混色されることにより白色光が出射される。

また、緑色蛍光体領域21に赤色蛍光体領域22とは別に青色蛍光体領域を設けることも可能である。青色蛍光体領域は、青色蛍光体を透明樹脂等に分散した領域とする。青色蛍光体領域の形状としては、色変換プレート5を厚さ方向に貫通する円柱状や、色変換プレート5の上面に一部が露出された半球状等にすることができる。

このような青色蛍光体領域を備えた色変換プレートは、実施形態1で説明した製造工程において図4(c)の工程まで施した後に、図4(a)の工程に戻り、青色蛍光体領域用の円柱状貫通孔や半球状の凹部を形成した後、図4(b)の工程で青色蛍光体分散樹脂を印刷スキージ等で充填することにより形成することができる。もしくは、図4(a)の工程で緑色蛍光体領域21のプレートの赤色蛍光体領域用の円筒状凹部の貫通孔41として形成し、さらに片面には青色蛍光体領域用の穴部として円筒状や半球状の凹部を形成する。これにより、図4(b)の工程では、青色蛍光体領域用の凹部の開口がない側の面から赤色蛍光体領域用の貫通孔41に赤色蛍光体分散樹脂42を印刷スキージ等により充填した後、プレートを裏返し、青色蛍光体領域用の凹部に青色蛍光体分散樹脂を印刷スキージ等で充填することができる。最後に、図4(c)の工程で大面積プレートを個々の色変換プレート5に切断する。

<実施形態3>
実施形態3の発光装置について図5(a)、(b)を用いて説明する。

図5(a),(b)の発光装置では、予め電極や配線が形成された基板1上に青色光を発する半導体発光素子53がAuSn共晶57およびAuボンディングワイヤー56により実装されている。MB素子53の上には、透明接着層4を介して色変換プレート5が接着されている。

半導体発光素子53は、素子基板とその上に形成された発光層とを含み、素子基板は青色光に対して不透明なメタルボンディング(Metal Bonding:MB)素子である。MB素子53は、素子基板を基板1側に、発光層を色変換プレート5側に向けて基板1上にAuSn共晶57によりダイボンディングされている。MB素子53の上面には不図示のAuワイヤパッドが形成されており、ボンディングワイヤー56により基板1上の電極と接続される。

色変換プレート5の領域21,22の構造は、実施形態1と同様の構成であるが、MB素子53上面のボンディングワイヤー56がボンディングされる領域を避けて配置する必要がある。そこで、実施形態3では図5(a),(b)に示すように、色変換プレート5の端部に切り欠き58を設けている。

実施形態3の色変換プレート5の製造方法は、図4(a)〜(c)に示した実施形態1の製造方法と同様であるが、図4(a)の工程で緑色蛍光体分散プレートを金型加工する際に、発光素子3表面のAuワイヤパッド形状に対応した形状の切り欠き58を形成する。

図4(b)の工程において島部となる赤色蛍光体領域22を形成する際には、実施形態1と同様にスキージ印刷法やディスペンス塗布法が適用できる。ただし、切り欠き58となる穴部が形成されているため、印刷法の場合には切り欠き58をフィルムやテープでマスキングすることが望ましい。ディスペンス塗布法の場合には、ディスペンサー装置の滴下位置を切り欠き58の箇所を避けるプログラムにすることで実施可能である。

図4(c)の工程で、切削歯により大面積プレートを切断することにより、切り欠き58が形成された色変換プレートを製造することができる。

実施形態3の発光装置の色変換の作用および効果は実施形態1と同様である。

また、実施形態2の紫外光を発光するMB素子と、紫外光を3色に色変換するプレートを用いて、実施形態3と同様に発光装置を構成することも可能である。

本発明の発光装置は、例えば、LCDバックライト、一般照明、街路灯、などライティングに用いるLED光源として利用することができる。

1…基板、2…Auハバンプ、3…発光素子、4…透明接着層、5…色変換プレート、6…光反射枠部、21…緑色蛍光体領域、22…赤色蛍光体領域、41…凹部、53…発光素子(MB素子)、56…Auボンディングワイヤー、57…AuSn共晶、58…切り欠き。

Claims (6)

  1. 発光素子と、前記発光素子の上に搭載され、当該発光素子の発する光を吸収し蛍光を発する第1及び第2の蛍光体を少なくとも含有する色変換プレートとを有し、
    前記色変換プレートは、海領域と、該海領域に点在する島領域とを含む海島構造であり、前記島領域は、前記色変換プレートを厚み方向に貫通し、前記色変換プレートの上面および下面からその一部が露出され、
    前記島領域には前記第1の蛍光体が含有され、前記海領域には前記第2の蛍光体が含有されていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 請求項1に記載の半導体発光装置において、前記第1の蛍光体の蛍光波長は、前記第2の蛍光体の蛍光波長よりも長波長であることを特徴とする半導体発光装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体発光装置において、前記海領域は、前記第1の蛍光体の他に、第3の蛍光体が含有され、当該第3の蛍光体の蛍光波長は、前記第1の蛍光波長よりも短波長であることを特徴とする半導体発光装置。
  4. 請求項1または2に記載の半導体発光装置において、前記海領域には、前記第1の蛍光体が含有された前記島領域とは別に、第3の蛍光体が含有された第2の島領域が点在して配置され、当該第3の蛍光体の蛍光波長は、前記第1の蛍光波長よりも短波長であることを特徴とする半導体発光装置。
  5. 請求項1または2に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子は青色光を発光し、前記第1の蛍光体は、青色光を吸収し、赤色の蛍光を発するものであり、前記第2の蛍光体は、青色光を吸収し、緑色の蛍光を発するものであることを特徴とする半導体発光装置。
  6. 請求項3または4に記載の半導体発光装置において、前記半導体発光素子は紫外光を発光し、前記第1の蛍光体は、紫外光を吸収し、赤色の蛍光を発するものであり、前記第2の蛍光体は、紫外光を吸収し、緑色の蛍光を発するものであり、前記第3の蛍光体は、紫外光を吸収し、青色の蛍光を発するものであることを特徴とする半導体発光装置。
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