JP2011129661A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】色ムラと発光出力の両方を同時に改善可能な新たな発光装置を提供すること
【解決手段】 基板上に１次を発光する発光層を含む半導体層を備えた半導体発光素子と、半導体発光素子の１次光の一部を吸収して、１次光よりも長波長の２次発光する蛍光体層と、を備え、半導体発光素子の１次と蛍光体層の発する２次光との混合色を発光する発光装置であって、平均粒径Ｄが２０ｎｍ＜Ｄ≦０．４×λ／πを充足する粒子を透光性媒質中に分散させた散乱層を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子の発光を一部波長変換してもとの光と混色することにより、異なる色の発光を可能とする発光装置に関する。
発光ダイオード等の半導体発光素子は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体発光素子は初期駆動特性に優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。また、半導体発光素子の１次発光と、これに励起されて異なる波長の２次光を発光できる蛍光体とを組み合わせることで、光の混色の原理により、多様な色の光を出射可能な発光装置が開発されている。このような発光装置は、各種の光源として利用されている。特に近年は、蛍光灯に代わる低消費電力で長寿命の次世代照明として注目を集めており、更なる発光出力の向上及び発光効率の改善が求められている。また、車のヘッドライトなどの投光器、投光照明のように、高輝度な光源も求められている。
こうした発光装置では、半導体発光素子が金属リードフレームや、セラミックス基板上にダイボンドされ、半導体発光素子の周りに、ポッティング、スクリーン印刷等の種々の手法により蛍光体層が形成される。例えば、特許文献１には、１次光である青色発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光ダイオードと、２次光である黄色発光が可能なセリウムで付活されたガーネット蛍光体とを組み合わせて、白色発光が可能であり、耐久性と演色性に優れた発光装置を構成することが開示されている。図１０は、特許文献１に開示された発光装置１００を示す断面図であり、１対のリードフレーム１０５、１０６の一方１０５の先端に発光ダイオード１０２が固定され、その周囲が蛍光体粒子を含む樹脂から成る蛍光体層１０１によって覆われている。発光ダイオード１０２と蛍光体層１０１は、さらに砲弾型の透光性樹脂１０４によって覆われている。また、特許文献２には、半導体発光素子と蛍光体層を備えた発光装置における色ムラを低減するために、半導体発光素子と蛍光体層を覆う透光性樹脂中にシリカ、アルミナ、チタニアなどの粉末を散乱粒子として分散することが開示されている。さらに特許文献３には、透光性樹脂や蛍光体層の屈折率を高めて光取り出し効率を向上するために、透光性樹脂や蛍光体層に高屈折率の無機材料から成る粒径２０ｎｍ以下の微粒子を分散させることが開示されている。特許文献３では、光の散乱を抑制するために微粒子の粒径を２０ｎｍ以下にする。また、特許文献４には、蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の粒径をレイリー散乱領域となる程度に小さくすることで光取り出し効率を改善することが開示されている。
特許第３５０３１３９号公報 特開２００２−１４１５５９ 特開２００９−２４１１７ 特開２００８−１３０２７９
しかしながら、上記従来の発光装置では、発光装置が持つ色ムラと光取り出し効率を同時に改善することが困難であった。まず、特許文献１のような従来の発光装置では、半導体発光素子と蛍光体層が透光性樹脂で覆われるが、その透光性樹脂にはエポキシや、シリコーン等が用いられることが多い。これらの透光性樹脂は、硬化後に、無色透明、均質、高い等方性といった優れた光学材料特性を示すが、その優れた光学材料特性のために半導体発光素子や蛍光体層の持つ発光強度の分布が忠実に投影されることになる。一方、半導体発光素子の発光強度分布と蛍光体層の発光強度分布には違いが生じやすく、両者を一致させることは容易でない。発光装置から発する光の色度は、半導体発光素子の１次光に対する蛍光体層の２次光の強度比で決まるため、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度分布が異なると、発光装置の面内位置や発光装置を観察する方向によって色度が変化することになり、色ムラが生じてしまう。
特許文献２では、このような色ムラを改善するために、半導体発光素子と蛍光体層を覆う透光性樹脂に散乱粒子を分散することを開示している。透光性樹脂中に散乱粒子が分散していると、半導体発光素子と蛍光体層の光が散乱されるため、各々の発光強度分布がより均一になり、色ムラが抑制される。しかし、透光性樹脂中に多量の散乱粒子を分散すると、色ムラは改善するものの、光取り出し効率が低下するという問題を生じてしまう。即ち、透光性樹脂中に分散された散乱粒子が半導体発光素子と蛍光体層の光を全方位に散乱する結果、半導体発光素子や蛍光体層に戻る光も増加する。半導体発光素子や蛍光体層に戻った光は、種々の界面で反射を繰り返した後で発光装置の外部に取り出されるが、その過程で吸収される成分が少なくない。このため最終的に発光装置の外部に取り出される光が減少し、光取り出し効率が低下してしまう。また、特許文献３及び特許文献４では、光取り出し効率を向上する手段は検討されているが、半導体発光素子の発光強度分布と蛍光体層の発光強度分布の違いによる色ムラは考慮されていない。
そこで本件発明は、色ムラと光取り出し効率の両方を同時に改善可能な新たな発光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本件発明者は鋭意検討を重ねた結果、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度の分布に関して原理的な違いがあることに着目し、その違いを利用して上記課題を解決できることを見出した。
まず、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度分布に関する違いについて説明する。発光強度分布には、発光面内の位置による分布（以下、「面内分布」）と、発光面を観察する方向による分布（以下、「配光特性」）がある。発光ダイオード等の半導体発光素子から発する１次光は、半導体層からの面発光であり、電極による遮光の影響もあるため、ダイス形状や電極形状に依存して面内分布が生じ易く、配光特性も不均一になりやすい。さらに、半導体発光素子の１次光は、蛍光体層を通過してから出射するため、半導体発光素子の発光が持つ面内分布や配光特性は蛍光体層の配置、厚さ、形状等によっても影響を受ける。これに対して、蛍光体層は、発光ダイオードの１次光の一部を吸収して長波長の２次光を発光するため、電極等の複雑な構造は不要であり、配置、厚さ、形状の自由度も高い。このため蛍光体層の配置、厚さ、形状等を工夫すれば面内分布をある程度自由に制御でき、配光特性も均一にし易い。
特に、蛍光体層中で蛍光体が粒子として存在する場合は、上記の違いは一層顕著となる。蛍光体が粒子として存在する場合、２次光は蛍光体粒子から全方位に対して発光する。このため、蛍光体が示す配光特性は、基本的に均一となり易く、蛍光体の量によって変化しない。一方で、半導体発光素子が示す発光強度分布は、半導体層からの面発光であるため不均一になり易く、しかも半導体発光素子の周囲に形成する蛍光体の量によって顕著に変化する。これは蛍光体粒子が半導体発光素子の光に対して吸収体であると同時に散乱体としても振舞うためである。したがって、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度比を変えて所望の色度を得るために蛍光体の量を変化させると、それによって半導体発光素子の発光強度分布も大きく変化してしまう。
本件発明は、このように半導体発光素子と蛍光体層が示す発光強度分布の原理的な違いに着目して成されたものであり、
基板上に１次光を発光する半導体層を備えた半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光出射側に、前記半導体発光素子の１次光の一部を吸収して、前記１次光よりも長波長の２次光を発光する蛍光体層とを備え、前記１次光と前記２次光の混合色を発光する発光装置であって、
平均粒径Ｄが
［式１］を充足する粒子を透光性媒質中に分散させた散乱層を前記蛍光体層の光出射側に有し（λは前記１次光の前記透光性媒質中での波長）、
２０ｎｍ＜Ｄ≦０．４×λ／π ［式１］
前記散乱層は、前記１次光を散乱して前記発光装置から出射することを特徴とする。
本件発明では、蛍光体層の発光強度分布は蛍光体層の配置、厚さ、形状等によって制御し易いのに対して、半導体発光素子の発光強度分布は原理的に不均一になり易く、しかも蛍光体層を通過することによっても影響を受ける点に着目し、透光性媒質中に分散する粒子の平均粒径Ｄを所定の範囲に制御することにより、半導体発光素子の１次光を選択的に散乱することを特徴とする。半導体発光素子の１次光を「選択的に」散乱するとは、半導体発光素子の１次光を蛍光体層の長波長の２次光よりも顕著に強く散乱することを指す。好ましくは、１次光を２次光よりも２倍以上強く散乱する。
半導体発光素子の１次光を選択的に散乱することにより、半導体発光素子の発光強度分布を選択的に制御できる。したがって、本件発明によれば、蛍光体層の発光強度分布はその配置、厚さ、形状によって適宜制御し、半導体発光素子の発光強度分布は散乱層によって蛍光体層とは独立に制御することができるため、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度分布の違いを緩和して、色ムラを抑制することができる。また、本件発明では、蛍光体層の光を散乱層によって強く散乱しないため、余計な散乱による半導体発光素子や蛍光体層への戻り光を減らし、光取り出し効率の低下も抑制することができる。よって、本件発明によれば、発光装置の光取り出し効率の低下を抑制して色ムラを改善することができ、明るく、色ムラの少ない発光装置を実現することができる。
尚、本件発明における粒子は、それを分散させた材料における可視光の余計な散乱を抑制しながら、屈折率や熱伝導率を高める効果もある。したがって、散乱層以外の種々の材料に粒子を分散させて、反射ロスを低減しても良い。例えば、蛍光体層自身、蛍光体層を半導体発光素子に固定する接着剤、半導体発光素子を固定するダイボンド剤などに粒子を分散させても良い。これらの材料に分散する粒子は、式１を充足する平均粒径を持つものであれば良く、散乱層に分散した粒子と同一組成であっても、異なる組成であっても良い。
以上の通り、本件発明によれば、半導体発光素子と蛍光体層を備えた発光装置において、半導体発光素子の１次光を蛍光体層の２次光よりも強く散乱する散乱層を設けたため、半導体発光素子と蛍光体層の発光強度分布差による色ムラを抑制しながら、蛍光体層の２次光の余計な散乱による戻り光を減らし、光取り出し効率の低下も抑制できる。したがって、明るく、色ムラの少ない発光装置を実現することができる。
図１は、本件発明の実施の形態１に係る発光装置を示す模式断面図である。 図２は、図１の発光装置に用いる発光素子の一例を示す模式断面図である。 図３は、粒子の粒径Ｄと散乱係数ｋｓの関係を示すグラフである。 図４は、本件発明の実施の形態２に係る発光装置を示す模式断面図である。 図５は、本件発明の実施の形態３に係る発光装置を示す模式断面図である。 図６は、本件発明の実施の形態４に係る発光装置を示す模式断面図である。 図７は、本件発明の実施の形態５に係る発光装置を示す模式断面図である。 図８は、本件発明の実施の形態６に係る発光装置を示す模式断面図である。 図９は、本件発明の実施の形態７に係る発光装置を示す模式断面図である。 図１０は、従来の発光装置を示す模式断面図である。
以下、本件発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は模式図であり、そこに示された配置、寸法、比率、形状等は実際と異なる場合がある。また、各実施形態において他の実施形態と同一の符号を用いた部材は、同一又は対応する部材を表しており、説明を省略する場合がある。
本件明細書において「屈折率」とは、半導体発光素子の発する１次光の波長における屈折率で考えるものとする。ある材料が「透光性」であるとは、半導体発光素子の１次光及び蛍光体層の２次光に対して十分な透過率を持ち、半導体発光素子の１次光及び蛍光体層の２次光の混色光が光源として機能できる程度に透過することを指す。光が「混合」するとは、異なる色度を持った２種類の光が、新たな色度を持つ光として人間の目に認識されるように空間的に混じり合うことを言う。
本件明細書において、「上」、「下」という用語は、発光装置の発光を取り出す側とその逆側を指す用語としても用いる。例えば、「上方」は、発光装置の発光を取り出す方向を指し、「下方」は、その逆の方向を指す。また、「上面」とは発光装置の発光を取り出
す側にある面を指し、「下面」とはその逆側の面を指す。また、「側面」、「側方」といった用語は、上記の「上面」及び「下面」に対して直交する面や方向を指す。発光装置に関する「内」という用語は、発光素子の発光層に近い側を指し、「外」という用語は、その逆側を指す。
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光装置１を示す模式断面図である。実装基板１０の上に、半導体発光素子２がはんだバンプ８を介して固定され、その周囲を略均一な厚みで形成された蛍光体層１６が覆っている。半導体発光素子２は、平面視で矩形の基板４上に青色光を発光可能な発光層を有する半導体層６を形成したものであり、半導体層６を下側、基板４を上側にしてフリップチップ実装されている。蛍光体層１６は、透光性の蛍光体保持樹脂１２に蛍光体粒子１４を分散したものであり、蛍光体粒子１４によって半導体発光素子２の発光する青色光（＝１次光）の一部を吸収して黄色光などの長波長の光（＝２次光）を発する。蛍光体層１６の光出射側には、半導体発光素子２と蛍光体層１６の全体を覆うように散乱層２１が形成されている。図２は、半導体発光素子２の構造を示す模式断面図であり、サファイア等の透光性で絶縁性の基板４に、ｎ側半導体層２２、発光層２４、ｐ側半導体層２６が順次積層されている。ｐ側半導体層２６と活性層２４が一部除去されてｎ側半導体層２２が露出しており、その露出面にｎ側電極３２が形成されている。また、ｐ側半導体層２６には、反射性の電極２８がほぼ全面に形成され、さらに外部と接続するためのｐ側電極３０が形成されている。
このような発光装置１では、半導体発光素子２の発する１次光と蛍光体層１６の発する長波長の２次光との混色により、所望の色度の発光を得ることができる。例えば、蛍光体層１６が黄色光を発する場合には、半導体発光素子２の発する青色光との混色によって、白色光が得られる。また、本実施の形態の発光装置１は、実装基板１０の上に実装された半導体発光素子２の上面と四方の側面を遮光せずに透光性の材料で覆っているため、半導体発光素子２の上面と四方の側面に対向する発光装置の表面が全て光取り出し面となって効率良く光を取り出すことができる。特に、本実施の形態では、半導体発光素子２を半球ドーム状の散乱層２１で覆っている。このため、半導体発光素子２を点光源として見ると、いずれの方位においても散乱層２１の表面に対して垂直に光が出射することになり、散乱層２１の表面での反射ロスが低減され、光取り出し効率が向上する。しかし、半導体発光素子２の示す発光強度分布と蛍光体層１６の示す発光強度分布が異なる場合、発光装置１内の場所や、発光装置１を観察する方向によって色度が変化する色ムラが発生してしまう。特に、図１のように、半導体発光素子２の光軸を中心として１８０度の範囲において光を取り出す場合、半導体発光素子２の上方だけでなく、側方からも発光が観測されるため、半導体発光素子２と蛍光体層２の配光特性の違いによる色ムラが顕著となる。
図１に示すように、蛍光体層１６は、半導体発光素子２の上面と四方の側面を略均一な厚みで覆うように形成されており、蛍光体層１６内の蛍光体粒子１４から全方位に長波長の２次光が発せられる。したがって、蛍光体層１６から上方向に発する２次光と横方向に発する２次光の強度差は比較的小さい。また、蛍光体層１６は、面内の場所による構造の変化がないため、どの場所でも一様に存在する。したがって、比較的均一な発光強度分布となる。これに対して、半導体発光素子２は、半導体層６に含まれる薄い発光層２４から面状に１次光を発する。このため１次光の配光特性は、上方向と横方向が強く、斜め方向が弱いという特有の分布を持つ。また、半導体発光素子２は、図２に示すように複雑な電極構造を有しているため、発光層２４に電流密度分布が生じ易く、電極３０、３２による光の遮蔽や吸収の影響も受ける。したがって、半導体発光素子２の発する１次光は、発光強度の面内分布も大きい。このため蛍光体層１６の発光強度分布と半導体発光素子２の発光強度分布に違いがあり、色ムラが生じる。
尚、本実施の形態のように、半導体発光素子２の周囲を略均一な厚みの蛍光体層１６で薄く覆うことにより、蛍光体層１６からの戻り光を減らし、高効率の発光が可能となる。しかし、その結果、蛍光体層１６の発光強度分布と半導体発光素子２の発光強度分布の違いが大きくなり易く、色ムラが強くなる問題がある。即ち、半導体発光素子２の周囲を略均一な厚みの蛍光体層１６で覆った場合、蛍光体層１６は、半導体発光素子２の光出射側の主面に略平行な平面状の１つの光出射面と、半導体発光素子２の側面に略平行な平面状の４つの光出射面とを有することになる。前述の通り、蛍光体層１６は層内の構造が均一であるため、蛍光体層１６の発する２次光の強度は蛍光体層１６を通過する１次光の光路長に依存する。本実施の形態のように、蛍光体層１６が半導体発光素子２の光出射側の主面とほぼ平行な平面状の光出射面と半導体発光素子２の側面にほぼ平行な平面状の光出射面とを有する場合、半導体発光素子２のそれぞれの面に対して垂直な方向に出射する１次光が蛍光体層１６を通過する光路長は蛍光体層１６の厚みに一致するが、半導体発光素子２のそれぞれの面に対して斜めの方向に出射する１次光が蛍光体層１６を通過する光路長は蛍光体層１６の厚みよりも大きくなる。したがって、蛍光体層１６から発する２次光の発光強度分布は、半導体発光素子２の面に対して垂直な方向に比べて、半導体発光素子２の面に対して斜め方向の方が発光強度が大きくなる。ところが、半導体発光素子２から出射する１次光の発光強度分布は、一般に全く逆の傾向を示し、半導体発光素子２のそれぞれの面に対して垂直な方向に比べて、半導体発光素子２のそれぞれの面に対して斜め方向の方が発光強度が小さくなる。このため蛍光体層１６の発光強度分布と半導体発光素子２の発光強度分布に違いが一層顕著になり、強い色ムラが生じ易い。
そこで本実施の形態の発光装置１では、半導体発光素子２の周囲に形成された散乱層２１によって半導体発光素子２の発する１次光を選択的に散乱してから出射することを特徴とする。半導体発光素子２の１次光を選択的に散乱することにより、半導体発光素子の発光強度分布をより均一にできる。したがって、半導体発光素子２と蛍光体層１６の発光強度分布の違いを小さくして、色ムラを抑制することができる。また、蛍光体層１６の２次光を散乱層２１によって強く散乱させないため、２次光の余計な散乱による半導体発光素子２や蛍光体層１６への戻り光を減らし、光取り出し効率の低下も抑制することができる。したがって、色ムラと光取り出し効率を同時に改善し、明るく、色ムラの少ない発光装置を実現することができる。
尚、この色ムラ改善の効果は、本実施の形態のように、半導体発光素子２を中心とする発光装置１の光出射角が大きい場合に特に顕著となる。発光装置１の光出射角θは、半導体発光素子を中心として発光装置から出射する光の角度範囲を指し、発光装置１の光軸方向から角度αの範囲に光線が出射している場合はθ＝２αとなる。本実施の形態の場合は１８０°である。前述の通り、半導体発光素子２の発光層３８は、薄い層状であるため、半導体発光素子２から出射する光の配光特性は、上方向と横方向が強く、斜め方向が弱いという特有の分布を持つ。したがって、発光装置の光出射角が大きい場合、半導体発光素子２の配光特性による色ムラが出易くなる。一方で、色ムラが抑制できるのであれば、発光装置の光出射角が大きい方が光源としては有利な場合が多い。本実施の形態では、散乱層２１によって半導体発光素子２の配光特性の分布を改善できるため、発光装置１の光出射角を大きくしても色ムラを抑制できる。本件発明において、半導体発光素子２を中心とする発光装置１の光出射角は１２０°以上、より好ましくは１５０°以上、最も好ましくは１８０°以上とすることが望ましい。
散乱層２１は、透光性の樹脂やガラスから成る透光性媒質１８に粒子２０を分散したものであり、粒子２０の平均粒径Ｄを以下の範囲とすることにより、半導体発光素子２の発する１次光だけを選択的に散乱させることができる。以下の式において、λは半導体発光素子２の発する１次光が透光性媒質１８中で示す波長である。
２０ｎｍ＜Ｄ≦０．４×λ／π ［式１］
粒子２０による散乱理論は、サイズパラメータα＝πＤ／λによって変わり、α≦０．４ではレイリー散乱、０．４＜α＜３ではミー散乱、それ以上では回折散乱となる。したがって、粒子２０の粒径Ｄが（０．４×λ／π）以下であることにより、半導体発光素子２の１次光に対してレイリー散乱が起きる。例えば、透光性媒質１８の屈折率が１．４〜１．５である場合、空気中での波長が４５０ｎｍの青色光に対しては、粒径Ｄが約４０ｎｍ以下であればレイリー散乱領域となる。
レイリー散乱領域では、散乱係数ｋｓは以下の式で示される。
Figure 2011129661
ここでｎは粒子２０の１ｃｍ３あたりの数、ｍは反射係数、Ｄは粒子２０の粒径、λは粒子２０を分散した媒質１８中での光の波長である。この式に示されるとおり、レイリー散乱領域では、散乱強度は、光の波長λの４乗に反比例するため、波長が短くなるほど光は強く散乱される。したがって、半導体発光素子２の発する短波長の１次光は、蛍光体層１６の発する長波長の２次光に比べて強く散乱される。
図３は、粒子２０の数ｎが８，５００，０００，０００、粒子２０の屈折率が２．１５、透光性媒質１８の屈折率が１．４１である場合の粒子の粒径Ｄと散乱係数ｋｓの関係を、波長４５０ｎｍの光と波長５５０ｎｍの光について示したグラフである。図２に示される通り、粒子の粒径Ｄが４０ｎｍ以下のレイリー散乱領域にある場合、４５０ｎｍの光は５５０ｎｍの光に比べて２倍以上強く散乱される。しかし、散乱係数ｋｓは、粒径Ｄが小さくなるに従って低下していき、粒子２０の粒径Ｄが２０ｎｍ以下になるといずれの波長の光に対する散乱強度も低下してしまう。そこで本件発明では、粒子２０の平均粒径Ｄを２０ｎｍよりも大きく設定する。粒子の平均粒径が２０ｎｍ以上であれば、粒子の数を適宜制御することによって可視域である１次光に対して必要な散乱強度を得ることができる。粒子の平均粒径が２０ｎｍ以下であると、粒子の数を相当高めなければ必要な散乱強度が得られないが、粒子の数を高くしすぎると樹脂中への分散が困難になる。したがって、粒子２０の粒径Ｄを２０ｎｍよりも大きく、かつ、（０．４×λ／π）ｎｍ以下とすれば、半導体発光素子２の１次光を蛍光体層１６の発する長波長の２次光に対して選択的に散乱することができる。
また、図１に示す発光装置では、散乱層２１内の粒子２０として屈折率が透光性媒質１８よりも高い無機材料を用いている。例えば、透光性媒質１８として屈折率が１．４１〜１．５３のシリコーン樹脂やエポキシ樹脂を用い、粒子として屈折率が２．１５であるジルコニアを用いることができる。これによって、散乱層２１の実効屈折率を高めて、発光装置１の光取り出し効率を向上することができる。即ち、図１に示す発光装置では、半導体発光素子２が、基板４を上側にしてフリップチップ実装されているため、基板４から発した光は、基板４と蛍光体層１６の界面と、蛍光体層１６と散乱層２１の界面とを通じて外部に取り出される。屈折率の大きな媒質から屈折率の小さな媒質に入射する光は、その屈折率差に応じて決まる臨界角よりも大きな入射角で入射した光は界面で全反射してしまう。したがって、半導体発光素子２で生じた１次光を効率よく発光装置１の外部に取り出すためには、散乱層２１と蛍光体層１６の屈折率が、基板４の屈折率にできるだけ近いことが好ましい。半導体発光素子２の基板４に用いられる材料の屈折率は、一般に１．７から２．５程度である（例えば、サファイアでは約１．７６）。透光性媒質１８に高屈折率の粒子２０を分散させることにより、散乱層２１の屈折率を透光性媒質１８の持つ１．４１〜１．５３から基板４に近い値にまで高めることが可能となる。散乱層２１と基板４の実効屈折率差は、０．２以下、より好ましくは０．０５以下であることが望ましい。基板４と散乱層２１の屈折率が近ければ、間に介在する蛍光体層１６の屈折率を両者に近い値に設定することにより、各界面での実効屈折率差を小さくして、反射ロスを低減することができる。したがって、発光装置１からの光取り出し効率が向上する。基板４を下側にしてフェースアップ実装する場合も、同様の屈折率であることが望ましい。また、例えば半導体発光素子の基板を除去して半導体層のみとする場合は、半導体発光素子を構成する半導体と散乱層の実効屈折率差が、０．２以下、より好ましくは０．０５以下であることが望ましい。半導体発光素子の側面から出射する光を利用するためには、図１に示す発光装置にように、透光性の基板を有する半導体発光素子を用いることが望ましい。
以下、本実施の形態において発光装置１０を構成する各部材について詳細に説明する。
（散乱層２１）
散乱層２１は、透光性媒質１８に粒子２０を分散して構成されている。本実施の形態のように発光装置の出射角が大きい場合、半導体発光素子２と蛍光体層１６の周囲を広い角度範囲に渡って散乱層２１で覆うことが好ましい。散乱層２１は、半導体発光素子２から出射した１次光が散乱を受けない場合の光線軌跡を考えて、発光装置１の出射角の範囲内にある光線が通過する領域に配置される。好ましくは、このような領域は全て散乱層２１で覆う。本実施の形態では、散乱層２１は、半導体発光素子２と蛍光体層１６の全体を覆うように半球状に形成されている。散乱層２１が半球状であれば、散乱層２１と外部（空気）との界面における反射ロスが減るため好ましい。散乱層２１は、半導体発光素子２の１次光を散乱させることができれば、どこに配置されていても良い。但し、半導体発光素子２の発光強度分布を改善するため、平面視において、矩形の半導体発光素子２が散乱層２１の中心に位置することが好ましい。また、断面視において、散乱層２１が半導体発光素子２の上面と側面を覆うようにすることが好ましい。散乱層２１は、蛍光体層１６の光出射側に配置する。尚、蛍光体層１６の光出射側とは、蛍光体層１６の２つの主面のうち半導体発光素子の１次光を受ける面とは逆の主面がある側を指す。蛍光体層１６の光出射側に散乱層２１を配置することにより、蛍光体層１６を通過後の１次光の発光強度分布を改善できるため、最終的に色ムラを抑制し易い。一方で、散乱層２１は蛍光体層１６の２次光を強く散乱することはないので、２次光の余計な散乱による戻り光の増加も抑制できる。蛍光体層１６の光出射側にある主面の全面を散乱層２１で覆うことが好ましい。
（ａ）粒子２０
粒子２０は、それを分散させる透光性媒質１８と異なる屈折率を持つ材料であれば光散乱の機能を発揮できるが、透光性媒質１８よりも高い屈折率を持つことが好ましい。これにより、発光装置１の光取り出し効率をさらに高め、信頼性も向上することができる。即ち、粒子２０が高い屈折率を持つことにより、散乱層２１の実効屈折率を高めて光取り出し効率を向上することができる。また、透光性媒質１８の材料選択の幅が広がるため、透光性媒質１８として耐久性の高い材料を用いることも可能となる。
また、粒子２０として無機材料、有機材料、複合材料等の種々の材料を用いることができるが、粒子２０が無機材料であれば、粒子２０自身の耐久性、熱伝導率、屈折率が高くなるため好ましい。粒子２０の熱伝導率が高くなれば、散乱層２１を通じた放熱効率も向上する。
そのような粒子２０としては屈折率の高い無機材料（特に、酸化物、窒化物、硫化物）を用いることが好ましい。例えば、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、ダイヤモンド、酸化タンタル、酸化セリウム、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）、酸化インジウム、硫化亜鉛、窒化珪素等を挙げることができる。中でも酸化ジルコニウム、酸化ニオブを用いることが望ましい。粒子２０は、蛍光体とは異なる材料を用いることが望ましい。
粒子２０の屈折率は、１．７以上、より好ましくは２．０以上であることが望ましい。粒子２０の屈折率が透光性媒質１８の屈折率に比べて高いほど、粒子２０による１次光の散乱が強くなり、また、散乱層２１の実効屈折率が高くなるからである。一方、粒子２０の屈折率は、通常得られる範囲であれば高すぎることはない。粒子２０の屈折率が高くなれば、透光性媒質１８との屈折率差が大きくなって散乱強度も高まるが、散乱強度が強すぎる場合には、粒子２０の数によって散乱強度を適当な範囲に制御できるからである。このような屈折率は、特に、半導体発光素子の発光する１次光のピーク波長が４２０〜５００ｎｍである場合に望ましい。
粒子２０の平均粒径Ｄは、上記（式１）を充足することが必要であるが、半導体発光素子の１次光に対する散乱強度を高めるために、上記（式１）の範囲内で平均粒径Ｄが大きなことが好ましい。平均粒径Ｄは、好ましくは２５ｎｍ以上、さらに好ましくは３０ｎｍ以上とすることが望ましい。尚、粒子２０が球状でない場合は、粒子２０の最大径で粒径を考える。
透光性媒質１８中における粒子２０の分散量（重量％）は、１０％以上、より好ましくは５０％以上であることが望ましい。粒子２０による散乱強度は、上記（式２）に示されるように粒子２０の数にも依存するためである。また、粒子２０の分散量が多いほど、散乱層２１の熱伝導率も向上する。一方、粒子２０の分散量が多すぎると、散乱層２１から半導体発光素子２や蛍光体層１６への戻り光が増加して、光取り出し効率が低下する。そこで粒子２０の分散量は、８０％以下、より好ましくは７０％以下であることが望ましい。
尚、本件発明の散乱層２１は、半導体発光素子２の１次光を散乱してから外部に出射させることが目的であるため、半導体発光素子２の１次光の戻り光が増えて、半導体発光素子２の利用率が低下しないようにすることが重要である。そのため、半導体発光素子２から出射する１次光のうち、８０％以上、より好ましくは９０％以上が発光装置１の外部に出射できるように、散乱層２１における粒子２０の数、粒径、屈折率等を制御することが望ましい。
散乱層２１における粒子２０の分布は、特に限定されない。但し、半導体発光素子２の側から光取り出し側（空気側）に向かって密度が低くなるような分布にすれば、半導体発光素子２の側（屈折率１．７６）では実効屈折率を高くし、外部の空気に接する側（屈折率１）では実効屈折率が低くなるため、有利である。
（ｂ）透光性媒質１８
透光性樹脂１８には、無色で透過率が高く、均質で、高い等方性、耐久性を持つことが望ましいが、このような光学特性を満たす材料は限られており、その屈折率はｎ＝１．４から１．５４程度の範囲となってしまう。これは、短波長の可視光を発光する半導体発光素子に一般的に用いられるサファイアやIII−V族半導体といった材料に比べて低くなる。このため半導体発光素子から透光性樹脂を経て発光装置の外部に至る光路において、屈折率差の大きな界面が存在することになり、その界面での全反射により光取り出しが制限されてしまう。このことによっても、発光装置の光取り出し効率は低下する。本実施の形態では、透光性媒質１８中に高屈折率の粒子２０を分散しているため、透光性媒質１８の屈折率を高めて光取り出し効率を高めることができる。
透光性媒質１８としては、半導体発光素子２の光に対して透光性を持つ有機材料や無機材料を用いることができる。有機材料としては、透光性を持つ樹脂を用いることができる。例えば、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましい。エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることもできる。また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた樹脂も利用できる。また、無機材料としては、ガラス等のアモルファス材料、無機結晶、セラミックなどを用いることができる。透光性媒質１８として、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましい。エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いれば、硬化後も無色透明であり、均質で、高い等方性を有するという優れた光学材料特性を有し、しかも安価で成型も容易であるため好ましい。これらの材料は、屈折率が１．４〜１．５４程度と低いが、屈折率の高い粒子を分散することで実効屈折率を高めることができる。
透光性媒質１８として、特に、フェニル基を導入しないシリコーン樹脂組成物やフェニル基を有しない変性シリコーン樹脂組成物、例えば、メチル系のシリコーン樹脂組成物やメチル系の変性シリコーン樹脂組成物を用いれば、発光装置の信頼性を高めることができる。フェニル基を導入すると、透光性媒質１８の屈折率が高くなる一方で、透光性媒質１８の耐光性と耐熱性が低下するためである。高屈折率の粒子２０を分散することにより、透光性媒質１８にフェニル基を導入しなくても散乱層２１の実効屈折率を高くできる。
一方、透光性媒質１８として、フェニル基を導入したシリコーン樹脂組成物や変性シリコーン樹脂組成物を用いれば、透光性媒質１８の屈折率を高くすることができる。そこに高屈折率の粒子２０を分散することで、散乱層２１の実効屈折率を一層高め、発光装置１の光取り出し効率を向上することができる。
尚、散乱層２１の実効屈折率は、Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔ理論に基づいて、透光性媒質１８の比誘電率と粒子２０の比誘電率から見積もることができる。また、透光性媒質１８及び粒子２０は、半導体発光素子２の１次光に対して透光性であることが重要であるが、半導体発光素子２の１次光は可視光であるため、可視域の外側にある紫外光に対して吸収を持つ材料であっても構わない。
（蛍光体層１６）
本実施の形態のように発光装置の出射角が大きい場合、半導体発光素子２の周囲を広い角度範囲に渡って蛍光体層１６で覆うことが好ましい。半導体発光素子２から出射した１次光が散乱を受けない場合の光線軌跡を考えて、発光装置１の出射角の範囲内にある光線が通過する領域は全て蛍光体層１６で覆うことが好ましい。蛍光体層１６は、種々の形態とすることができる。例えば、透光性の樹脂から成る蛍光体保持部材中に無機材料から成る蛍光体粒子を含有させて蛍光体層としても良い。蛍光体層１６は、半導体発光素子２の周りに、ポッティング、スクリーン印刷等の種々の手法により形成することができる。蛍光体層１６は、半導体発光素子２の発光の一部を吸収して長波長の光を発光可能なものであれば特に限定されない。蛍光体層１６は、本実施の形態のように、蛍光体粒子１４をガラスや樹脂などの蛍光体保持部材１２に含有させた部材でも良いし、蛍光体の結晶やアモルファス体から成るものでも良い。
蛍光体粒子１４としては、青色光で励起されて黄色のブロードな発光を示す蛍光体を用いれば、演色性の良い白色が得られるため好ましい。特に、無機材料から成る蛍光体粒子１４を用いれば、半導体発光素子２からの強い熱や光にも耐久性があるため好ましい。蛍光体の発光ピーク波長は、５００〜６００ｎｍ、より好ましくは５２０〜５６０ｎｍにあることが好ましい。このような蛍光体粒子１４として、例えば、セリウムで付活されたガーネット構造を持つ蛍光体（特に、セリウムで付活され、アルミニウムを含みガーネット構造を持つ蛍光体）が挙げられる。セリウムで付活された蛍光体は、黄色にブロードは発光を示すため、青色発光との組合せによって演色性の良い白色を実現できる。また、ガーネット構造、特にアルミニウムを含むガーネット構造の蛍光体は、熱、光、水分に強く、高輝度な黄色発光を長時間維持することができる。例えば、波長変換物質として、（Ｒｅ1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｔｂ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。）で表されるＹＡＧ系蛍光体（一般にＹＡＧと略記される）を用いることが好ましい。また、黄色蛍光体の他に、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｚｎ：Ｃｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＢｘＮ３＋ｘ：Ｅｕ及びＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕなどの蛍光体を用いて演色性を調整することもできる。
一方、蛍光体粒子１４を含有する蛍光体保持部材１２としては、半導体発光素子２の光に対して透光性を持つ有機材料や無機材料を用いることができる。有機材料としては、透光性を持つ樹脂が好ましい。例えば、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることができる。また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた樹脂も利用できる。また、無機材料としては、ガラス等のアモルファス材料、無機結晶、セラミックなどを用いることができる。尚、前述の通り、蛍光体の結晶やアモルファス体自身を蛍光体層１６とした場合には、蛍光体保持部材１２は不要となる。
（半導体発光素子２）
半導体発光素子２は、半導体から成る発光層を備えたものであれば良い。特に窒化物半導体から成る発光層、中でも窒化ガリウム系化合物半導体（特にＩｎＧａＮ）から成る発光層を備えた発光素子であれば、青色域で強い発光が可能であるため、蛍光体層１６と好適に組み合わせることができる。半導体発光素子２は、発光層２４から出力される光のピーク波長が、可視域であれば良いが、４２０ｎｍ〜５００ｎｍ、より好ましくは、４４５〜４６５ｎｍにあることが望ましい。この波長域で青色光を発光する半導体発光素子２であれば、種々の蛍光体層１６との組合せにより、所望の色、特に白色光の発光が可能となる。尚、半導体発光素子２は、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系などの半導体から成る発光層を有するものでも良い。また、半導体発光素子２は、基板４の下面又は、半導体層６の上面から光を取り出す面発光タイプの発光ダイオードであることが好ましい。
図１に示すように、本実施の形態では、発光素子２の基板４を上側にして実装基板１０の上にフリップチップ実装している。実装基板１０の上面には電極が形成されており（図示せず）、はんだバンプ８を介して、半導体発光素子２のｐ側３０及びｎ側電極３２と接続される。
尚、本発明で用いることのできる半導体発光素子２は、図２に示す構造のものに限定されない。例えば、各導電型層に、絶縁、半絶縁性、逆導電型構造が一部に設けられても良い。また、基板４は、導電性を持つものでも良く、その場合には、ｎ側電極３２を基板４の裏面に形成しても良い。また、基板４は、半導体層６を成長させる際の基板であっても良いし、半導体層６を成長させた後で貼りあわせたものでも良い。基板４は、除去することもできる。例えば、基板４を含む半導体発光素子２をフリップチップ実装し、その後で基板４を剥離しても良い。
（実装基板１０）
実装基板１０は、表面に半導体発光素子２と電気的に接続される配線を形成したものであれば良い。本実施の形態では、平板状の絶縁部材に配線を形成して実装基板１０としている。絶縁部材として、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミック、ガラスを用いることができる。また、Ｓｉ等の半金属あるいは金属の表面に窒化アルミニウム等の絶縁性の薄膜層を形成して用いても良い。これらの実装基板１０は、放熱性が高いため、好ましい。また、配線は、イオンミリング法或いはエッチング法等によって金属層のパターニングを施すことによって形成できる。例えば、窒化アルミニウムの表面に白金薄膜等からなる配線パターンを形成できる。更に、配線パターンを保護する目的で、ＳｉＯ2等の薄膜からなる保護膜を形成してもよい。
実施の形態２．
図４は、本件発明の実施の形態２に係る発光装置を示す断面図である。図４の発光装置１は、内側から順番に、赤色を発光する第１蛍光体層１６ａと黄色を発光する第２蛍光体層１６ｂの２層を有する。これによって、黄色を発光する蛍光体層１６だけが形成された場合に比べて、赤味成分を増し、平均演色評価数Ｒａの高い発光装置とすることをもできる。平均演色評価数Ｒａの高い発光装置とすれば照明用途に適した発光装置となる。また、赤味成分を増やすことで、電球色を発光する発光装置とすることもできる。その他の点は、実施の形態１と同様である。
第１蛍光体層１６ａには、黄〜赤色発光を有する蛍光体粒子１４ａを含むことが好ましい。可視光を黄色〜赤色域に変換する蛍光体としては、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、珪酸塩蛍光体などが挙げられる。
窒化物系蛍光体、酸窒化物（オキシナイトライド）蛍光体としては、Ｓｒ−Ｃａ−Ｓｉ−Ｎ：Ｅｕ、Ｃａ−Ｓｉ−Ｎ：Ｅｕ、Ｓｒ−Ｓｉ−Ｎ：Ｅｕ、Ｓｒ−Ｃａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｅｕ、Ｃａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｅｕ、Ｓｒ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｅｕなどが挙げられる。窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体の中でも、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体が好ましく、次の一般式で表すことができる（Ｌは、Ｓｒ、Ｃａ、ＳｒとＣａのいずれか）。
ＬＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ、ＬxＳｉyＮ(2/3x+4/3y)：Ｅｕ、ＬxＳｉyＯzＮ(2/3x+4/3y-2/3z)：Ｅｕ
珪酸塩蛍光体としては、Ｌ2ＳｉＯ4：Ｅｕ（Ｌはアルカリ土類金属）、
（ＳｒxＭａｅ1-x）2ＳｉＯ4：Ｅｕ（ＭａｅはＣａ、Ｂａなどのアルカリ土類金属）などが好ましい。
一方、第２蛍光体層１６ｂには、青色光で励起されて励起されて黄色のブロードな発光を示す蛍光体粒子１４ｂを用いる。このような蛍光体粒子１４ｂとして、実施の形態１で説明したのと同様の材料を用いることができる。
尚、本実施の形態では、赤色発光する第１蛍光体層１６ａと黄色発光する第２蛍光体層１６ｂを有する場合について説明したが、本件発明はこれに限定されない。互いに発光波長が異なる２種類の蛍光体であれば何を用いても良い。発光波長の異なる２種類の蛍光体を用いることで、発光装置の発する光の演色性が向上する。また、本実施の形態では、２種類の蛍光体粒子１４ａ、１４ｂを、別々の蛍光体層１６ａ、１６ｂに分けて保持する例について説明したが、単一の蛍光体層１６内に２種類の蛍光体粒子を含んでいても良い。また、半導体発光素子２からの１次光によって１種類目の蛍光体を励起、発光させ、その蛍光体の発する２次光によって別の種類の蛍光体を励起、発光させることもできる。また、色度の異なる２種類の蛍光体を用いれば、２種類の蛍光体の量を調整することにより、色度図上において２種類の蛍光体と発光素子の色度点を結んでできる領域内の任意の色度点に対応する発光を得ることができる。
実施の形態３．
図５は、本件発明の実施の形態３に係る発光装置を示す断面図である。図５の発光装置１は、蛍光体層１６にも高屈折率の無機材料から成る粒子２０が分散している。この点を除けば、実施の形態１と同様である。
蛍光体層１６に、蛍光体保持部材１２よりも高い屈折率を持つ成る粒子２０を散乱すれば、蛍光体層１６の屈折率を高めることができる。したがって、基板４と蛍光体層１６との界面、蛍光体層１６と散乱層２１との界面において全反射が起きる臨界角を大きくし、界面での反射ロスを低減することができる。また、蛍光体層１６にも無機材料から成る粒子２０を分散することにより、蛍光体層１６の熱伝導率を高めることができ、発光装置１の信頼性も向上する。さらに、蛍光体層１６にも粒子２０が分散していれば、半導体発光素子２の１次光の発光強度分布も改善される上、蛍光体層１６中の蛍光体粒子１４に入射する１次光の割合も増加する。一方、蛍光体層１６に分散する粒子２０は、平均粒径Ｄが上記（式１）を充足しており、蛍光体粒子１４の発する長波長の２次光を強く散乱しないため、余計な戻り光の増加による光取り出し効率の低下も抑制できる。
本実施の形態において蛍光体層１６に粒子２０を分散するには、蛍光体層１６をポッティング、印刷などで形成する際に、蛍光体粒子１４と共に粒子２０を分散しておけば良い。尚、蛍光体層１６を電気泳動により形成する場合、蛍光体層１６を形成した後に、粒子２０を含む樹脂にて含浸しても良い。例えば、蛍光体層１６の形成後に、粒子２０を分散した透光性媒質１８の硬化前溶液に含浸すれば良い。また、蛍光体層１６に分散する粒子２０は、上記（式１）を充足するものであれば良く、散乱層２１に分散する粒子２０と同一であっても良いし、異なる材料であっても良い。但し、散乱層２１に分散する粒子２０と同一にすれば、発光装置１の製造工程が簡易になるため有利である。尚、蛍光体層１６に分散させる粒子２０の濃度は、散乱層２１に分散させる粒子２０の濃度よりも高いことが好ましい。屈折率の高い粒子２０を多く含有させることにより、屈折率を高めることができる。このため、蛍光体層１６の屈折率よりも、発光装置１の光取り出し側に配置された散乱層２１の屈折率を低くすることで、発光装置の屈折率が、半導体発光素子２から光取り出し側に向かって、装置の外側にある空気の屈折率に段階的に近づいていくため、１次光及び２次光を効率よく発光装置１の外部に取り出すことができる。
実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る発光装置を示す模式断面図である。本実施の形態では、半導体発光素子２が半導体層６を上面にしてフェースアップ実装され、半導体発光素子２を実装基板１０に接着するダイボンド剤３８に粒子２０が分散されている。その他の点は、実施の形態３と同様である。
図６に示すように、半導体発光素子２の基板４は実装基板１０の表面にダイボンド剤３８によって固定されている。ダイボンド剤３８は、半導体発光素子２の底面のほぼ全面に塗布されている。半導体発光素子２の半導体層６に形成されたｐ側電極及びｎ側電極（図示せず）は、ワイヤー３６によって実装基板１０上の電極（図示せず）に接続されている。半導体発光素子２を実装基板１０に固定するダイボンド剤３８には、ダイボンド剤３８を構成する樹脂よりも高い屈折率を持った無機材料から成る粒子２０が分散されている。ダイボンド剤３８の周囲は、蛍光体層１６と散乱層２１によって覆われている。
本実施の形態のように、半導体発光素子２を実装基板１０に固定するダイボンド剤３８に、ダイボンド剤３８を構成する樹脂よりも屈折率の高い無機材料から成る粒子２０を分散することにより、ダイボンド剤３８の屈折率が半導体発光素子２の基板４の屈折率に近くなる。このため基板４とダイボンド剤３８との界面における反射光が減り、半導体発光素子２内への戻り光が減少して、光取り出し効率が向上する。また、ダイボンド剤３８内で半導体発光素子２の１次光が散乱することにより、実装基板１０の表面にある金属電極に到達する光が減り、そこでの吸収ロスを低減できる。また、ダイボンド剤３８の屈折率が基板４の屈折率に近づき、ダイボンド剤３８内で粒子２０によって１次光が散乱する結果、基板４の裏面に光の多重反射防止用の凹凸をつけたのと同様の効果が得られる。したがって、半導体発光素子２内における光の多重反射による吸収ロスを減少し、発光装置１の光取り出し効率が向上できる。また、ダイボンド剤３８に無機材料から成る粒子２０が分散することにより、ダイボンド剤３８の熱伝導率も向上するため、発光装置１の放熱効率が改善し、信頼性が向上する。尚、ダイボンド剤３８は、膜厚を例えば２μｍ以下にでき、散乱層２１や蛍光体層１６に比べて極めて薄くできる。したがって、散乱層２１や蛍光体層１６に比べて、ダイボンド剤３８に分散させる粒子２０の密度を高くすることができる。
本実施の形態のように、半導体発光素子２が半導体層６を上面にしてフェースアップ実装された場合も、上述の実施の形態と同様に、散乱層２１と基板４の実効屈折率差は、０．２以下、より好ましくは０．０５以下であることが望ましい。特に基板４が透光性である場合、基板４は半導体層６と屈折率の近いものを選択するためである。基板４と散乱層２１の屈折率が近ければ、間に介在する蛍光体層１６の屈折率を両者に近い値に設定することにより、各界面での実効屈折率差を小さくして、反射ロスを低減することができる。したがって、発光装置１からの光取り出し効率が向上する。また、半導体層６を基準として、半導体層６と散乱層２１の実効屈折率差を、０．２以下、より好ましくは０．０５以下とすることもできる。
尚、ダイボンド剤３８に分散する粒子２０は、上記（式１）を充足するものであれば良く、散乱層２１や蛍光体層１６に分散する粒子２０と同一材料でも良いし、異なる材料としても良い。また、本実施の形態では、半導体発光素子２をフェースアップ実装する場合について説明したが、フェースダウン実装する場合には、半導体発光素子と実装基板との間に充填される樹脂部材に本実施の形態の構成を適用しても良い。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る発光装置を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、半導体発光素子２が基板４を上側にしてフリップチップ実装され、基板４の上面に板状の蛍光体層１６ａが接着層４０を介して接着されている。また、半導体発光素子２の四方の側面にも、同じ接着層４０を介して板状の蛍光体層１６ｂが形成されている。板状の蛍光体層１６ａ及び１６ｂは、下面が開口した箱型の形状となっている。その他の点は、実施の形態１と同様である。例えば、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、蛍光体層１６は、半導体発光素子２の光取り出し側の主面とほぼ平行な平面状の１つの光出射面と、半導体発光素子２の側面にほぼ平行な平面状の４つの光出射面とを有することになる。
本実際の形態では、板状の蛍光体層１６ａ、１６ｂと半導体発光素子２を接着する接着層４０に、その接着層４０の材料よりも高い屈折率を持った無機材料から成る粒子２０が分散されている。これによって接着層４０の実効屈折率が増加するため、半導体発光素子２と接着層４０との界面、及び接着層４０と蛍光体層１６ａ、１６ｂとの界面における実効屈折率差を小さくし、全反射の臨界角を高くして、反射による戻り光を低減できる。また、蛍光体層１６ａ、１６ｂには、接着層４０で散乱された後の青色光が入射することになるため、蛍光体層１６ａ、１６ｂの励起がより均一に行われ、蛍光体層１６ａ、１６ｂの発光強度分布が改善される。また、半導体発光素子２の１次光も、接着層４０と散乱層２１で２回散乱されることになり、半導体発光素子２の発光強度分布もより均一になる。さらに、半導体発光素子２から、接着層４０、蛍光体層１６ａ、１６ｂに至る経路の放熱効率も高まる。
本実施の形態で用いる板状の蛍光体層１６ａ、１６ｂは、無機材料から成ることが好ましい。特に、熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上、より好ましくは１．０［Ｗ／ｍＫ］以上、さらに好ましくは４．０［Ｗ／ｍＫ］以上の無機材料で構成することが望ましい。具体的には、無機系蛍光体の結晶やアモルファス体自身を蛍光体層１６ａ、１６ｂとしたり、無機系の蛍光体粒子をガラスやアルミナ等の無機材料から成る透光性部材に含有させて蛍光体層１６ａ、１６ｂとすることができる。無機系蛍光体の結晶やアモルファス体自身を蛍光体層１６ａ、１６ｂとする場合の例としては、セリウムで付活されたガーネット構造を持つ蛍光体の結晶を板状体としたものが挙げられる。また、無機系の蛍光体粒子を無機材料から成る透光性部材に含有させる場合、無機材料の透光性部材としてはガラス等のアモルファス材料、無機結晶、セラミックなどを用いることができる。このような材料で蛍光体層１６ａ、１６ｂを構成することにより、蛍光体層１６ａ、１６ｂ自身の耐久性が高まると同時に、蛍光体層１６ａ、１６ｂから実装基板１０に向かう放熱も良好になり、信頼性の高い発光装置１を実現することができる。尚、蛍光体層１６ａ、１６ｂが、「板状」であるためには、全体の形状が板状であれば良く、表面に凹部や孔を有していても良い。また、何らかの光学効果を得るためのパターンが表面に形成されていても良い。蛍光体層１６ａ、１６ｂが「板状」である場合に、平面形状は矩形に限らず、円形、楕円形など種々の形状でも良い。板状の蛍光体層１６は、半導体発光素子２の基板主面と平行に設置することが好ましい。蛍光体層１６が板状であれば、半導体発光素子２に板状体を固着するだけで蛍光体層１６が形成できる。また、蛍光体層１６を板状にすれば、発光装置１を生産する際に蛍光体層１６を大きめの板状材料として加工しておき、それを所望の大きさに切り出して使うことができるため、発光装置の組立が容易となる。
尚、半導体発光素子２の側面に形成する蛍光体層１６ｂは、板状部材の接着ではなく、印刷等によって形成しても良い。また、接着層４０に分散する粒子２０は、上記（式１）を充足するものであれば良く、散乱層２１に分散する粒子２０と同一材料であっても、異なる材料であっても良い。
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る発光装置１を示す模式断面図である。本実施の形態では、半導体発光素子２の側面に形成されていた蛍光体層１６ｂに代えて、蛍光体層１６ａの２次光を１次光と共に散乱しながら反射する反射部材４５が形成されている。また、散乱層２１は、半導体発光素子２の上方にある蛍光体層１６ａの上面のみを覆い、半導体発光素子２の側方には形成されていない。したがって、本実施の形態では、蛍光体層１６は、半導体発光素子２の主面とほぼ平行な平面状の１つの光出射面から２次光が取り出される。この場合でも、実施の形態１で説明したのと同様の理由により、半導体発光素子２の主面に対して垂直な方向に比べて、斜め方向の方が２次光の発光強度が大きくなり、蛍光体層１６の２次光が持つ発光強度分布は半導体発光素子２の持つ１次光の発光強度分布と逆の傾向となる。したがって、実施の形態１乃至５と同様の理由により、色ムラが生じやすい。その他の点は、実施の形態５と同様である。
本実施の形態のように、蛍光体層１６ａが板状である場合、平面内の分布を考えると、板の端面における発光が強くなる傾向にある。そこで、本実施の形態のように、蛍光体層１６ａが板状であり、半導体発光素子の上面に固定されているような場合には、蛍光体層１６ａの上面に散乱層２１を形成し、蛍光体層１６ａの側面に反射部材４５を設け、その反射部材４５によって蛍光体層１６ａの２次光を散乱しながら反射することが好ましい。また、図８に示すように、この反射部材４５は半導体発光素子２の側面にも設けることが好ましい。
反射部材４５においては、樹脂４２中に比較的粒径の大きな散乱粒子４４が分散されている。散乱粒子４４の平均粒径は、半導体発光素子２の青色光に対して散乱機構がミー散乱又は回折散乱となる大きさに設定されており、半導体発光素子２の発する青色光と蛍光体層１６ａの発する長波長の光を両方散乱する。具体的には、散乱粒子４４の平均粒径Ｄ’を７０ｎｍ以上、より好ましくは２００ｎｍ以上とする。散乱粒子４４の平均粒径を７０ｎｍ以上とすれば、透光性媒質４２の屈折率が１．４以上であれば、可視域の光に対してミー散乱か回折散乱とすることができる。散乱層２１は、半導体発光素子からの１次光を選択的に散乱するものであったが、反射部材４５では、半導体発光素子２の１次光と蛍光体層１６ａの２次光の両方を散乱しながら反射させることができる。尚、反射部材４５の散乱粒子４４は、散乱層２１の粒子２０と同様の材料を用い、平均粒径を大きくしてミー散乱又は回折散乱領域としても良い。また、反射部材４５の樹脂４２も、散乱層２１の透光性媒質１８と同様の材料によって構成することができる。
この反射部材４５は、半導体発光素子２の側方に形成されている。そのため、反射部材４５の散乱によって、半導体発光素子２の側面から出射する１次光と蛍光体層１６ａの側面や下面から出射する２次光とを散乱しながら反射することができ、色ムラの少ない発光が得られる。一方、半導体発光素子２の上面から出射した青色光は、蛍光体層１６ａを通過した後、半導体発光素子２の１次光を選択的に散乱する散乱層２１を通過して出射される。本実施の形態によれば、実施の形態５よりも簡易な構成により、色ムラの少ない発光装置を得ることができる。尚、反射部材４５は、半導体発光素子２の側面だけではなく、板状の蛍光体層１６ａの側面も覆うことが好ましい。板状の蛍光体層１６ａの側面から出射した光は、半導体発光素子２の青色光に対する長波長の光の強度比が高くなり、色ムラが生じやすいためである。図８では、板状の蛍光体層１６ａの上面は散乱層２１によって覆われ、側面と下面の一部は反射部材４５によって覆われている。尚、平面視において、反射部材４５は、半導体発光素子２と蛍光体層１６の周囲を等方的に覆っていることが好ましい。
また、本実施の形態では、半導体発光素子２の側面が蛍光体層１６によって覆われずに露出しているため、半導体発光素子２の１次光が蛍光体層１６で吸収される割合を減らし、光取り出し効率を高めることができる。
実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る発光装置１を示す模式断面図である。本実施の形態では、断面が逆台形で表面が反射鏡となった凹状の実装基板１０を用い、実装基板１０の上に半導体発光素子２を実装した後、蛍光体粒子１４と粒子２０を同時に混合した透光性媒質１８をポッティングし、蛍光体粒子１４を沈降させる。その他の点は、実施の形態１と同様である。
本実施の形態によれば、簡単な製造方法により、蛍光体層１６と散乱層２１を同時に形成できる。即ち、本実施の形態では、半導体発光素子２の上面と側面を覆うように沈降した蛍光体粒子１４によって蛍光体層１６が構成される。本実施の形態の方法によって発光装置１を製造するには、硬化前の透光性媒質１８として十分に粘度の低い材料を用いて、半導体発光素子２を実装した実装基板１０にポッティングする際に蛍光体粒子１４が沈降するようにすれば良い。このとき粒子２０は、粒子径が小さいため沈降しない。したがって、本実施の形態によれば、単一の工程により、蛍光体層１６と散乱層２１を同時に形成することができる。また、蛍光体粒子１４を沈降して蛍光体層１６とすれば、蛍光体層１６における１次光や２次光の吸収ロスを減らすことができ、好ましい。なお、蛍光体粒子１４は、凹凸のある形状よりも球形の方が沈降し易い。
以上の実施形態は単なる例示であり、本件発明はこれらに限定されない。例えば、実施の形態５で説明した蛍光体層１６を、実施の形態１乃至４の発光装置に形成しても良く、また、実施の形態１乃至６で説明した蛍光体層１６を、実施の形態７の実装基板１０に実装しても良い。また、本件発明の各要素は、上記実施の形態で説明した部材で構成する場合に限られず、発明の複数の要素を単一の部材で構成したり、一つの要素を複数の部材で構成することもできる。
１ 発光装置
２ 半導体発光素子
４ 基板
６ 半導体層
８ はんだバンプ
１０ 実装基板
１２ 蛍光体保持部材
１４ 蛍光体粒子
１６ 蛍光体層
１８ 透光性媒質
２０ 粒子
２１ 散乱層
２２ ｎ側窒化物半導体層
２４ 活性層
２６ ｐ側窒化物半導体層
２８ ｐ側電極
３０ ｐ側パッド電極
３２ ｎ側電極
３４ 絶縁性保護膜
３６ ワイヤー
３８ ダイボンド剤
４０ 接着層
４２ 樹脂
４４ 散乱粒子
４５ 反射部材

Claims (11)

  1. １次光を発光する半導体層を備えた半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光出射側にあり、前記１次光の一部を吸収して、前記１次光よりも長波長の２次光を発光する蛍光体層とを備え、前記１次光と前記２次光の混合色を発光する発光装置であって、
    平均粒径Ｄが［式１］を充足する粒子を透光性媒質中に分散させた散乱層を前記蛍光体層の光出射側に有し（λは前記１次光の前記透光性媒質中での波長）、
    ２０ｎｍ＜Ｄ≦０．４×λ／π ［式１］
    前記散乱層は、前記１次光を散乱させて前記発光装置から出射させることを特徴とする発光装置。
  2. 前記蛍光体層は、前記半導体発光素子の主面又は側面に平行な平面状の光出射面を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記半導体発光素子を中心とする前記発光装置の光出射角が１２０°以上であ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. 前記粒子は、前記透光性媒質よりも高い屈折率を持つ無機材料から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
  5. 前記半導体発光素子が基板上に前記半導体層を有し、前記散乱層と前記半導体発光素子の前記基板との実効屈折率差が、０．２以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。
  6. 前記粒子は、前記透光性媒質よりも高い屈折率を持つ酸化物、硫化物又は窒化物を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
  7. 前記粒子が、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、ダイヤモンド、酸化タンタル、酸化セリウム、イットリウムアルミニウムガーネット、イットリウム・バナデート、硫化亜鉛、窒化珪素から成る群から選択された１種を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
  8. 前記透光性媒質が、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物、又はこれらを含むハイブリッド樹脂から成る群から選択された１種であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
  9. 前記蛍光体層が、無機材料から成る板状体であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光装置。
  10. 前記蛍光体層が、前記粒子を含有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光装置。
  11. 前記半導体発光素子の発光する前記１次光のピーク波長が、４２０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発光装置。
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