JP2011519149A - 半導体発光装置とこれを用いた光源装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図12
Description
また、上記構成元素群に対するCe3+の置換量が1原子%以下であるため、波長変換の効率が良く(絶対量子効率が80%以上であり)高出力である。したがって、一般照明用として好ましくなるように調整した照明光出力が増す半導体発光装置になるので、一般照明用途に適する高出力の半導体発光装置を提供できる。
図1は、本発明に係る半導体発光装置の一例を示す上面図、図12は、本発明に係る半導体発光装置の一例を示す側断面図である。
(放熱基板1)
図1において、放熱基板1は、固体発光素子3を実装するための基板である。
放熱基板1は、金属、半導体材料、セラミックス材料、樹脂の中から選ばれる少なくとも一つを材質とする基板であり、絶縁基板、導電基板(特に金属基板)のいずれであっても基本的には構わない。
一方、製造原価を下げる目的で好ましい放熱基板1は、樹脂(例えば、シリコーン系樹脂)を主体にしてなる成形体であり、例えば、フィラー(例えば、アルミナ、シリカ、各種金属などの無機の粒子群)を含む樹脂成形体である。
放熱基板1を、全てを絶縁体で構成した絶縁基板とすると、限られた場所だけが電位を持つ半導体発光装置を比較的容易に提供できるので、構造設計上、電気面での配慮が容易になり、比較的簡単に、電気面での取扱いが容易な光源装置等を提供し得るものとなる。
このため、電気的な構造設計の容易性を重視する場合では全てを絶縁体で構成した絶縁基板が好ましく、放熱を最重視する場合では導電基板を基体とする絶縁基板が好ましい。
以下、配線導体A2a及び配線導体B2bとをまとめたものを配線導体Xと記述する。
配線導体A2a及び配線導体B2bは、固体発光素子3に電力を供給するための導体であり、対を成すものである。
光取り出し効率の高い半導体発光装置を得る目的で、好ましい配線導体Xは、金属光沢を持つ配線導体である。
なお、配線導体Xの厚みは半導体発光装置の設計の都合上、3mm程度を超えない範囲で厚ければ厚いほど良く、具体的な厚みを例示すると、10μm以上3mm未満、好ましくは、100μm以上3mm未満、より好ましくは、300μm以上3mm未満である。
また、配線抵抗が低いものとなるので、配線導体Xにおけるジュール熱の発生を抑制でき、半導体発光装置の温度上昇を抑制するものとなる。
このような構造物は、一例を図13に示すように、放熱基板1を金属とし、当該放熱基板の上に、片面に配線導体B2bを形成した絶縁基板(絶縁体24)を固定するか、あるいは、当該放熱基板1の上に、絶縁体24を設け、当該絶縁体の上に配線導体B2bを設けるなどの手段によって作製可能である。
(固体発光素子3の概要)
固体発光素子3は、電気エネルギーを光エネルギーに変換する電光変換素子であり、いわゆる、発光ダイオード(LED)、半導体レーザー(LD)、無機EL素子(EL)、有機EL素子(OLED)などである。
また、光の演色性が良好な出力光を得る目的、および、出力光の均一光拡散面を得る目的で好ましい固体発光素子3は、発光スペクトル半値幅が比較的広く、指向性を殆ど持たない光を放つ、EL又はOLEDのいずれかである。
さらに、波長変換体4による波長変換のエネルギー効率の面で、好ましい固体発光素子3は、380nmよりも長波長の可視域の、できる限り長波長の領域に発光ピークを持つ一次光(可視光)を放つ固体発光素子であり、白色の出力光を得る目的では、380nm以上510nm未満の紫〜青緑の波長領域に発光ピークを持つ一次光を放つ固体発光素子が好ましい。
なお、固体発光素子3が、LEDの場合、一例を挙げると、上面図におけるLED1個の外郭面積として、0.01mm2以上4cm2未満程度であるが、投入電力と点光源性との兼ね合いで、高出力の点光源を得る目的では前記外郭面積は、0.25mm2以上4cm2未満程度、特に、0.6mm2以上2cm2未満程度の範囲内であることが好ましい。
これによって、前記半導体発光層11の、劣る機械的強度を補強し、取扱いの面で容易なものとなる。
前記絶縁性基体7又は導電性基体8としては、IV族金属元素を主体としてなる金属、IV族元素を主体としてなる化合物、及び、III−V族元素を主体としてなる化合物の中から選ばれる少なくとも一つの半導体基体が好ましい。
これによって、固体発光素子3を実装する放熱部材に、固体発光素子3が密着する構造の半導体発光装置になるので、半導体発光装置の放熱が促され、比較的高出力の一次光が得られるようになる。
より好ましくは、図3に示すように、前記固体発光素子3は、固体発光素子の実装面を下面とした時に、上面近くに前記一次光15を生み出す半導体発光層11(活性層)を持ち、固体発光素子の上下面に電極(対をなす給電電極)を持つ構造(前記フェースアップ上下電極構造)を有することが好ましい。
なお、前記固体発光素子3は、金属材料、半導体材料、セラミックス材料等の無機材料を主体としてなる構造とするのが好ましい。
なお、前記主光取り出し面近傍は、表面粗化処理による凹凸構造を持つものとするのが好ましい。
前記半導体発光層11は、材質が、II−VI族化合物、III−V族化合物、IV族化合物のいずれかであることが好ましい。
前記固体発光素子3は、前記底面の面積が、前記主光取り出し面の側の上面と、同一面積、又は、前記上面よりも大きい面積のいずれかであることが好ましい。
金属材料は一般に熱伝導率が高いので、これにより、固体発光素子3を介して放熱基板へと放熱される波長変換体4の発生熱、及び、固体発光素子の発生熱を効率良く配線導体A2aや放熱基板1に伝えることができ、波長変換体4及び固体発光素子3の温度上昇を抑制できるようになる。
(固体発光素子3の具体構造例)
以下、固体発光素子3の具体構造例を説明するが、このような構造の固体発光素子3の製造については、例えば、特開2007−150331号公報等に開示される通りであるのでここでは詳細な説明を省略する。
図2は、本発明に係る固体発光素子3の構造の一例であり、絶縁性基体7の上部に反射層10を設けており、その上部に半導体発光層11を設け、さらに、半導体発光層11に電圧を印加するための電極(透光性電極12と、給電電極B14b)とを設けた構造の固体発光素子である。
絶縁性基体7は、半導体発光層11を支持し、この機械的強度を高めるとともに、固体発光素子3の上面に設けた、対を成す給電電極A14a及び給電電極B14bによって、半導体発光層11に給電するために設けるものである。
このような反射層10にすると、熱伝導率が比較的高いので、固体発光素子3の動作時に半導体発光層11が放つ熱を、速い速度で絶縁性基体7へ放熱できるようになる。
半導体発光層11は、電力供給によって発光(注入型エレクトロルミネッセンス又は真性エレクトロルミネッセンス)を放つ、無機又は有機の半導体を少なくとも含めて形成した多層構造体である。
透光性電極12は、前記半導体発光層11に電力を供給するとともに、半導体発光層11が放つ光を、一次光15として、固体発光素子3の外部に取り出すためのものであり、半透明金属(Auなど)や、前記透明導電材料(In−Sn−O、ZnO:Al、TiO2:Nbなど)で構成する。
このように構成した固体発光素子3の、給電電極A14a及び給電電極B14bに、直流又は交流電圧、あるいはパルス電圧を印加すると、半導体発光層11に電流が流れ、電力が供給されることになる。
(1)単結晶基板(サファイヤ、SiC、GaN、Si、Y3Al5O12など)の上にエピタキシャル結晶成長技術を用いて、n型及びp型のInGaN系化合物の単結晶薄膜を積層した後、反射層10を構成する金属膜を、蒸着などによって形成して、発光構造体とする。
(3)前記(1)の発光構造体と前記(2)の支持構造体とを、接合層(10nm以上1000nm未満程度の厚みの、合金(Au−Sn、Ag−Snなど)、金属(Mo、Tiなど)、あるいは化合物(SiO2、Si3N4、HfO2、TiNなど))を利用して、形成した前記二つの金属膜を張り合わせるように接合する。
図3は、本発明に係る固体発光素子3の構造の、また別の一例であり、導電性基体8の上部に半導体発光層11を設ける一方で、半導体発光層11の下方に反射層10を設け、さらに固体発光素子3の底面に給電電極B14bを設けた構造の固体発光素子である。
また、反射層10は、図3に示すように、半導体発光層11と導電性基体8との間に設ける構造であっても良いが、導電性基体8と給電電極B14bとの間に設ける構造であっても構わない。
このように構成した固体発光素子3の上下面に設けた給電電極A14a及び給電電極B14bに、直流又は交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、半導体発光層11に電流が流れ、電力が供給されることになる。
なお、図3に示す構造の固体発光素子3は、対を成す給電電極の一方(給電電極B14bである。)を、固体発光素子3の底面に設ける構造であるので、一次光15の光取り出し面の面積が比較的大きくなり、高出力の半導体発光装置を得る上で、好ましい構造となる。
図4は、本発明に係る固体発光素子3の構造の、また別の一例であり、導電性基体8の下部に半導体発光層11を設け、固体発光素子3の底面に給電電極B14bを設ける一方で、前記導電性基体8の上部に給電電極A14aを設け、前記導電性基体8は、透光性を持つものとする構造の固体発光素子である。
導電性基体8は、半導体発光層11を支持し、この機械的強度を高めるとともに、固体発光素子3の上下面に設けた、対を成す給電電極A14a及び給電電極B14bによって、半導体発光層11に給電できるようにするだけでなく、半導体発光層11が放つ光を、一次光15として、固体発光素子3の外部に取り出すために設けるものである。
当該構造の固体発光素子3において、前記注入型エレクトロルミネッセンスを放つ構造の場合には、先に図3で説明したように、半導体発光層11中に、電子や正孔が注入されるように、前記反射層10は導電性を有する必要性があり、前記金属、及び、これら金属の合金やシリサイドなどの厚膜又は薄膜から適宜選択して用いる。
また、固体発光素子3の動作についても、図3を用いて先に説明した通りであるので、ここでは省略する。
(固体発光素子3の具体構造例4)
図5は、本発明に係る固体発光素子3の構造の、また別の一例であり、透光性基体9の下部に半導体発光層11を設け、固体発光素子3の底面に給電電極A14a及び給電電極B14bを設けた構造の固体発光素子である。
このように構成した固体発光素子3の、給電電極A14a及び給電電極B14bに、直流又は交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、半導体発光層11に電流が流れ、電力が供給されることになる。
(波長変換体4)
波長変換体4は、前記固体発光素子3が放つ光(一次光15)を、それよりも長波長の光に波長変換する、光−光変換体であり、いわゆる無機のフォトルミネッセンス蛍光体(実用性能水準を満たすもの。以後、単に蛍光体17と記述する。)を少なくとも含んでなる構造体である。
これらの、波長変換体4は、信頼性の高い波長変換体4の製造も容易である。
また、多くのノウハウを要する波長変換体4の製造を、予め別工程で行うことができるので、製造工程ロスに関わるリスク管理も容易になる。
なお、無機材料からなる透光性基体と、少なくとも無機蛍光体を含んでなる波長変換層とを組み合わせてなる波長変換体とするのも好ましい。
(波長変換体4の形態)
まず、本発明に係る波長変換体4の実施形態について、特に、波長変換層4aの温度上昇(波長変換に伴うエネルギー損失(ストークスロス)に起因して生じる現象である。)を交えながら説明する。
ΔT〔K〕=(Wloss〔W〕×t〔m〕)/(ρ〔W/m・K〕×S〔m2〕)
・・・(式1)
但し、(式1)において、Wloss〔W〕は、波長変換層4aの消費エネルギー、t〔m〕は、波長変換層4aの厚み、ρ〔W/m・K〕は、波長変換層4aの熱伝導率、S〔m2〕は、波長変換層4aに入射する前記一次光の光入射面積である。
(a)Wloss(波長変換層4a中の消費エネルギー)が低い。
(c)ρ(波長変換層4aの熱伝導率)が大きい。
(d)S(波長変換層4aの光入射面積)が大きい。
本発明に係る波長変換体4は、高出力の点光源となる半導体発光装置を得る目的で、上記(d)の波長変換層4aの光入射面積が制約を受ける中で、上記(a)〜(c)の特性を有する波長変換層4aを持つ波長変換体とすることを特徴とし、このような課題への対処を図るものである。
また、参考のために、上記(d)の特性を有する波長変換層4aを持つ波長変換体4についても触れる。
Wlossが低い波長変換層4aにする手段としては、(固体発光素子3)の欄で説明した以下(1)の手段の他に、以下(2)及び(3)の手段がある。
(2)光子変換時のエネルギーロスが小さくなるように、理論限界に近い光子変換効率(内部量子効率)を持つ蛍光体を採用する。
このような内部量子効率は、例えば、大久保等の文献(大久保和明他、照明学会誌、平成11年、第83巻、第2号、p.87)に記載される蛍光体の量子効率の評価手法によって評価可能である。
なお、このような波長変換層4aの光子変換効率も、例えば、上記大久保等の文献記載の評価手法によって評価可能である。
tが薄い波長変換層4aを持つ波長変換体4にする手段としては、以下(4)〜(6)の手段がある。
例えば、430nm以上475nm未満の青の波長領域に発光ピークを持つ一次光を放つ固体発光素子と組み合わせる場合、このような蛍光体の一例としては、Ce3+付活ガーネット蛍光体(特に、希土類イオン(Y3+など)に対するCe3+イオンの置換量が0.001%以上5%未満のYAG:Ce系蛍光体)や、アルカリ土類金属イオンに対するEu2+イオンの置換量が2%を超え100%以下の高濃度Eu2+付活アルカリ土類金属化合物の蛍光体(例えば、オルト珪酸塩蛍光体、酸窒化珪酸塩蛍光体、チオガレート蛍光体など)が挙げられる。
(6)光吸収源となる蛍光体以外の物質を実質的に含まない、光吸収性の高い波長変換層4aになるように、透光性蛍光セラミックス、蛍光体粉末を用いた無機蛍光膜等にする。
一般に、有機材料よりも無機材料のρが大きいことを考慮すると、ρが高い波長変換層4aにする手段として、前記(5)の手段、及び、以下(7)の手段が考えられる。
(8)ある程度まで、自然に光拡散した一次光が波長変換層4aを照射するように、前記固体発光素子3の主光取り出し面と、波長変換層4aとの間の距離を長くする。
前記のように、波長変換体4の波長変換層4aに用いる蛍光体17としては無機蛍光体が好ましく、以下、本発明に係る無機蛍光体を詳説する。
(2)Eu2+又はCe3+の少なくとも一つで付活された窒化物系蛍光体(例えば、窒化物蛍光体や酸窒化物蛍光体である。)。
(1)Y3Al5O12:Ce3+系黄緑色蛍光体(特に、発光ピーク波長が、525nm以上560nm未満、又は、蛍光体母体の希土類イオン(Y3+やGd3+などである。)の一部を置換するCe3+イオンの置換量が、0.01原子%以上1原子%以下の、低濃度Ce3+付活蛍光体。)
(2)BaY2SiAl4O12:Ce3+系緑色蛍光体
(3)Ca3Sc2Si3O12:Ce3+系緑色蛍光体(Ca又はScの一部をMgで置換した蛍光体を含む。)
(4)MSi2O2N2:Eu2+系緑/黄色蛍光体(Mは、アルカリ土類金属。)
(5)M3Si6O12N2:Eu2+系緑色蛍光体(Mは、過半数がBaとなるアルカリ土類金属。)
(6)β−Si3N4:Eu2+系緑色蛍光体(Si−Nの一部をAl−Oで置換した蛍光体を含む。)
(7)Ca−α−SiAlON:Eu2+系黄色蛍光体。
(9)M2(Al,Si)5(N,O)8:Eu2+系赤色蛍光体(Mは、アルカリ土類金属。M2Si5N8:Eu2+赤色蛍光体を含む。)
(10)BaMgAl10O17:Eu2+系青色蛍光体
なお、上記具体的な蛍光体(1)〜(10)の中で、Ce3+付活蛍光体は、青色励起可能な無機蛍光体であり、上記(10)を除くEu2+付活蛍光体は、紫色光と青色光の両方で高効率励起可能な無機蛍光体である(なお、上記(10)のEu2+付活蛍光体は、青色光では励起されず、紫色光で高効率励起可能な無機蛍光体である)。
本発明では、後記のように、このような高耐熱性の高効率無機蛍光体の中の、特定の組成及び形態を持つガーネットの結晶構造を持つCe3+付活蛍光体を波長変換体4の波長変換層4aを構成する波長変換物質として用いることを特徴とする。
図6は、参考のため、透光性母材16中に粉末状の蛍光体17(蛍光体粒子群17bである。)を分散させた従来一般的な構造の波長変換体4(又は、波長変換層4a)を示している。
(波長変換体4の具体構造1、2)
図7は、蛍光体17を、無機成形体(以後、蛍光体成形体17aと記述する。)とした本発明に係る波長変換体4(又は波長変換層4a)を示している。
しかし、前記した波長変換体の温度上昇、および、色むらを抑制する目的で、蛍光体成形体17aの厚みは薄ければ薄い方が良い。
なお、Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Gd、Tb、Luから選ばれる少なくとも一つの元素を含んでなる元素群を構成元素群Aとした時に、少なくとも構成元素Aを含み、前記構成元素群のAの一部をCe3+で置換しており、かつ、ガーネットの結晶構造を持つ蛍光体は、Ce3+イオンの置換量が少ない低濃度Ce3+付活蛍光体であればあるほど、温度消光が小さな高耐熱性蛍光体となる物性を持つので、高出力化の面で好ましい蛍光体となる。
なお、波長変換体用として特に好ましい無機蛍光体は、Y3Al5O12:Ce3+系蛍光体であり、光子変換効率、光透過特性、温度消光の総合特性に優れるだけでなく、透光性蛍光セラミックス、蛍光ガラス、前記MGC光変換部材などの製造や入手も比較的容易である。
図9に示すように、波長変換体4は、波長変換層4aとして機能する前記蛍光体成形体17aの一面に、光拡散体18(光散乱体)を設けた構造、好ましくは、前記蛍光体成形体17aの一面に、光拡散体18を接着あるいは接合した構造としても良い。
(波長変換体4の具体構造4,5)
図10に示すように、波長変換層4aを持つ波長変換体4は、波長変換層4aとなる蛍光体成形体17aの少なくとも一面に、比較的厚い厚み(0.1mm以上10mm未満程度)を持つ透光性被着基体20(ガラス、透光性セラミックス、アクリルなど。)を配置したものとしても良い。
したがって、図10に示すような構造にすると、上記蛍光体成形体17aを支持する透光性被着基体20が、波長変換体4の波長変換層4aの機械的強度を高めるように作用するので、前記蛍光体成形体17aの厚みが薄く、機械的強度に劣るものであっても、取扱いが容易な波長変換体4になる。
以下、固体発光素子3、及び、波長変換層4aを持つ波長変換体4の配置等について、より詳しく説明する。
本発明の一例としての半導体発光装置は、図12に示すように、固体発光素子3と、波長変換体4とを、少なくとも備え、前記波長変換体4は、前記固体発光素子3が放つ一次光(図示せず。)を吸収して、前記一次光よりも長波長の光を放つ無機蛍光体(図示せず。)を、少なくとも含んでなる、透光性の波長変換層4aを持つ無機成形体であって、前記波長変換層4aの厚みは、10μm以上600μm未満であり、前記無機蛍光体は、少なくとも、構成元素群Aを含み、前記構成元素群Aの一部をCe3+で置換しており、かつ、ガーネットの結晶構造を持つ蛍光体であり、前記構成元素群Aは、Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Gd、Tb、Luから選ばれる少なくとも一つの元素を含んでなる元素群であり、前記構成元素群Aに対するCe3+の置換量は、0.01原子%以上1原子%以下、より好ましくは0.01原子%以上0.5原子%以下であり、前記構成元素群Aに対するGd3+の置換量は、50原子%以下、好ましくは30原子%以下、より好ましくは10原子%以下であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る半導体発光装置において、前記固体発光素子3は、上面又は上下面のいずれかに、対をなす給電電極を持つものであり、さらに、主光取り出し面の対向面となる底面全体は、放熱部材に密着するように実装されていることが好ましい。
また、これによって、前記波長変換層4aの温度消光と前記混色光の色分離との両方を抑制する装置構造になり、高出力化と発光色の均質化の面で優れる半導体発光装置になる。
本発明に係る半導体発光装置は、前記波長変換体4は、前記固体発光素子3の少なくとも主光取り出し面に密着するように形成した半導体発光装置である。
しかし、本発明によれば、前記波長変換体4は、前記固体発光素子が放つ一次光を吸収して、前記一次光よりも長波長の光を放つ無機蛍光体を、少なくとも含んでなる波長変換層4aを持ち、熱伝導率が比較的大きい、全無機の波長変換体(透光性蛍光セラミックスなど)であり、熱伝導率が大きくなる厚みにするだけでなく、波長変換体としての波長変換効率が大きく、さらに、温度消光の小さな無機蛍光体(例えば、前記Y3Al5O12:Ce3+系黄緑色蛍光体など)を含む波長変換層4aとするので、波長変換体構造は、波長変換に伴い発熱し、蓄熱されて波長変換層4aの温度上昇要因となる発生熱を抑制するだけでなく、波長変換の面で高効率で、しかも温度消光も少ないものになる。
一方、固体発光素子3を放熱部材に接着するための接着剤23としては、樹脂系の接着剤(シリコーン樹脂系の接着剤など)や無機系の接着剤他から、固体発光素子3の構造や電極配置、及び、放熱基板1の特性や材質(特に、絶縁基板か導電基板かなど。)を考慮して、適宜選択して用いれば良い。
これによって、固体発光素子3の電気的接続をした後で、波長変換体4を取り付ける工程によって製造し得るものとなり、製造が容易なだけでなく、波長変換体4や固体発光素子3の不具合の有無を事前確認した後で、半導体発光装置を完成することができるので、工程ロスを少なくできる。
また、厚みの薄い波長変換層4aを持ち、かつ、透光性被着基体20が良好な放熱体として作用する波長変換体4になるので、蓄熱が抑制されて温度上昇が少ない波長変換体4になり、半導体発光装置が高出力化する。
このようにすると、波長変換体4の発熱部が片面に偏らないので、熱によって、いっそう歪みにくい波長変換体4になる。
無機物質は、一般に熱伝導率が高いので、このようにすると、例えば、樹脂のような熱伝導率の低い接着物質を用いた場合でも、比較的、熱伝導性が良い接着物質とすることができる。
なお、前記無機の粒子群は、前記一次光を吸収して、前記一次光よりも長波長の光を放つ蛍光体粒子群を含んでなるものとすることもでき、このようにすると、出力光の色調を幾分制御できるものになるので好ましい。
なお、図19において、A、B、C、D、E、F、及びGは、各々、色温度が、2000K、3000K、4000K、5000K、6000K、7000K、及び8000Kの色度座標を示している。
(Ce3+置換量(1))
Ce3+置換量は、多くなるほど、黄緑色Y3Al5O12:Ce3+系透光性蛍光セラミックスの発光色は黄色がかったものとなって、前記加法混色光の色度xは大きくなり、8000K以下の低色温度の前記加法混色光を得ることが容易になる。
黄緑色Y3Al5O12:Ce3+透光性蛍光セラミックスのY3+の一部(18原子%)をGd3+で置換することによって、発光色は黄色がかったものとなって、前記加法混色光の色度xは大きくなり、8000K以下の低色温度の前記加法混色光を得ることができるようになる。
なお、他の実験データ等を考慮すると、Gd3+で置換した場合のCe3+置換量は、 0.05原子%以上1原子%以下、特に、0.1原子%以上0.8原子%以下程度で、 程度の差こそあれ、同様の効果が得られると期待される。
tが厚ければ厚いほど、青色光を吸収しやすい透光性蛍光セラミックスになるため、黄緑又は黄色がかった前記加法混色光を得ることが容易になる。
図18と図19から判るように、照明用、特に、車載前照灯やプロジェクション光源用として好ましい、白色として定義される光(白色光:図19中に点線で示す範囲。)を得るための透光性蛍光セラミックスの厚みは、前記Ce3+置換量によって異なっており、例えば、Gd3+置換量がゼロのY3Al5O12:Ce3+透光性蛍光セラミックス場合では、Ce3+置換量が0.05原子%の場合(図19中では、aの線で示す。)では、少なくとも0.2mm以上0.3mm以下の厚みは好ましい厚みである。
なお、他の実験データからの類推で、測定誤差なども考慮すると、Ce3+置換量が0.01原子%以上0.1原子%未満の場合は、白色光を得る上で好ましい厚みは、概ね、0.1mm(100μm)以上2mm未満であることが判る。
また、Ce3+置換量が0.5原子%の場合(図19中では、bの線で示す。)では、少なくとも0.1mm以上0.2mm以下の厚みが好ましい最大厚みである。
なお、他の実験データからの類推で、測定誤差なども考慮すると、Ce3+置換量が0.1原子%以上1原子%未満の場合は、白色光を得る上で好ましい厚みは、概ね、0.02mm(20μm)以上0.3mm(300μm)未満であることが判る。
さらに、Ce3+置換量が1〜3原子%の場合(図19中では、c〜eの線で示す。)では、好ましい厚みは、少なくとも0.02mm以上0.1mm未満の範囲内にある。
他の実験データからの類推で、測定誤差なども考慮すると、白色光を得る上で好ましい厚みは、Ce3+置換量が1原子%以上5原子%未満の場合は、概ね、0.005mm(5μm)以上0.05mm(50μm)未満であることが判る。
さらに、例えば、Gd3+置換量が18%の(Y,Gd)3Al5O12:Ce3+透光性蛍光セラミックス場合では、Ce3+置換量が0.05原子%の場合(図19中では、fで示す。)では、少なくとも0.6mm以下の厚みは好ましい厚みである。
上記した、Ce3+置換量、Gd3+置換量、透光性蛍光セラミックスの厚み(t)を考慮すると、前記4500K以上8000K以下、好ましくは5000K以上7000K以下の相関色温度の加法混色光を得るための条件は、以下の範囲にあるといえる。
なお、下限は特に限定されるものではなく、温度消光を考慮すると少なければ少ないほど良いが、青色光の吸収効率を考慮すると、0.01原子%以上、好ましくは0.03原子%以上である。
(2)Gd3+置換量は、0原子%以上50原子%以下程度であり、Ce3+置換量によって、Gd3+置換量を変えれば足りる。
また、参考のために、図25には、Ce3+置換量が2原子%の、Y3Al5O12:Ce3+粉末蛍光体の評価データを示した。
(Y3Al5O12:Ce3+透光性蛍光セラミックスにおける、Ce3+置換量の増加に伴う青色光の波長変換効率低下の推定メカニズム)
一般に、透光性蛍光セラミックスは、粒状の無機蛍光体の単結晶の集合体であることが知られており、当該粒の大きさが大きくなるほど、透光性が増すことが知られている。
このため、透光性蛍光セラミックスの透光性を高め、かつ、発光性能を高めるために、一般には、前記粒の大きさを大きくし、かつ、前記境界の体積割合を減らす取り組みがなされる。
したがって、Ce3+置換量を増すにつれて、例えば、前記焼結助剤とCe化合物とが反応して、光の失活中心となる化合物を形成したり、前記境界の体積割合が増したり、前記粒が小さくなったりする可能性は高い。
この結果、前記した、光の失活中心となる化合物や前記境界を、多数持つ透光性蛍光セラミックスでは、前記した、透光性蛍光体に入射した光や、透光性蛍光セラミックス中で発生した光は、透光性蛍光セラミックス中で吸収されて失われ易く、光子変換効率は下がることになる。
(Ce3+置換量(2))
Ce3+置換量は、多くなるほど、おそらく透光性蛍光セラミックス中の光吸収ロスが大きな透光性蛍光セラミックスになることに起因して、透光性蛍光セラミックスとしての光子変換効率(内部量子効率)が下がるので、このことを考慮すると、好ましいCe3+置換量は、前記0.01原子%以上3原子%未満の中の、0.01原子%以上1原子%以下、特に好ましくは0.01原子%以上0.5原子%以下である。
なお、固体発光素子3の、対をなす給電電極A14a及び給電電極B14bの一方は、配線導体A2aと電気的に接続するようにし、もう一方は、配線導体B2bと電気的に接続するようにする。
このような電気的接続を持つ半導体発光装置は、前記配線導体A2aと配線導体B2bとを用いて、固体発光素子3に電力を供給することができる。
図14に示すように、本発明に係る半導体発光装置にあっては、前記固体発光素子3は、間接的に、全体を光透過物25で封止し、前記光透過物25は、少なくとも放熱部材(放熱基板1や前記配線電極A2aである。)に接触することが好ましい。
なお、上記した、「前記固体発光素子3は、間接的に、全体を光透過物25で封止する」とは、図14に示すように、前記光透過物25が、例えば波長変換体4等を含めて、前記固体発光素子3の底面を除く周囲全体に接触して、前記固体発光素子3を間接的に包み込むように封止することを意味する。
これらの光透過物25は、比較的高い屈折率を有するものが多く、特に、前記光透過物25が、前記主光取り出し面を含み、底面を除く、前記固体発光素子3の周囲全体に、直接接触して包み込むように封止した構造では、固体発光素子3が放つ一次光15の光取り出し効率が高まり、高出力化を図る目的でも好ましいものとなる。
なお、前記透光性樹脂中に含める無機材料としては、光透過性を持つ透光性無機材料、光反射性を持つ光反射無機材料、良好な熱伝導特性(熱伝導率が3W/mK以上、好ましくは10W/mK以上、より好ましくは100W/mK以上)を持つ高熱伝導性無機材料、高い屈折率(380〜780nmの可視領域における室温下の屈折率が1.2以上、好ましくは1.4以上で、4.0未満程度)を持つ高屈折率無機材料、前記一次光15を拡散する光拡散無機材料、前記一次光を吸収して可視光を放つ蛍光無機材料(無機蛍光体である。)などから選択でき、必要に応じて、これらを適宜組み合わせて用いることも好ましく、これらの中の少なくとも一つを用いれば良い。
前記高熱伝導性無機材料としては、前記各種酸化物、前記各種窒化物、各種炭化物(炭化珪素など)及び炭素、前記各種金属等が利用可能である。
前記光拡散無機材料としては、前記透光性無機材料及び前記光反射無機材料の少なくとも一つから選ばれる、中心粒径(D50)が、0.1μm以上1mm未満(サブミクロン〜サブミリ)程度の粉末(粒子群)などが利用可能である。
前記透光性樹脂中に含める無機材料の形状や性状などは特に限定されるものではないが、取扱い、及び、熱伝導特性の、制御の容易さなどの面で好ましい無機材料は粉体又はフィラーとして知られる粒子群であり、前記平均径あるいは中心粒径(D50)が、1nm以上1mm未満程度の、ナノ粒子群、サブミクロン粒子群、ミクロン粒子群、サブミリ粒子群などである。
図15は、本発明に係る代表例として、図14に示した半導体発光装置(放熱基板1上に設けた配線導体A2a上に、固体発光素子3を実装し、その上に波長変換体4を設けた構造物)において、波長変換体4の波長変換層4aで生じる熱の放熱経路を示す図である。
図15に示すように、本発明に係る半導体発光装置では、投入電力の増加に伴い増大する波長変換体4の波長変換層4aの発生熱が、(1)接触配置した固体発光素子3を介して、固体発光素子3の底面全体を利用する熱伝導によって、固体発光素子3の下方に配置した高熱伝導体(配線導体A2a、放熱基板1、外部付加放熱体(図示せず)など)へと、均一均等かつ速い速度で熱伝導するようにするとともに、必要に応じて、(2)光透過物25を介しても、固体発光素子3の下方に配置した前記高熱伝導体や周囲外気へと熱伝導するようにし、さらに、(3)配線導体C5を介しても、前記高熱伝導体等へ熱伝導するようにして、放熱特性が高まるようにしている。
ハロゲンランプや車載用ヘッドランプに好適な相関色温度(目標値5000K)を得るための好適な条件について検討した。
図26に示すとおり、内部量子効率はCe3+置換量が減少するほど増加する傾向にあり、450nm励起において、Ce3+置換量が0.5原子%以下の場合に内部量子効率が90%以上であった。なお、図26において「OK」で示す範囲は内部量子効率が80%以上の範囲である。
さらに、温度特性についても検討した。車載用ヘッドランプの温度特性として、150℃で室温時の70%以上の発光強度を保持することが好ましい。そこで、150℃で室温時の70%以上の発光強度を保持できる条件について検討した。
図34と図35に示すように、Ce3+置換量、Gd3+置換量、透光性蛍光セラミックスの厚み等に変更を加えることにより、2800〜8000Kの範囲内における様々な相関色温度が実現可能であった。
図37に示すように、Ce3+置換量が0.5原子%の場合に、Gd3+置換量が50原子%以下であれば3600〜8000Kの色温度領域において70℃で室温時の70%以上の発光強度が得られ、Gd3+置換量が30原子%以下であれば4500〜8000Kの色温度領域において150℃で室温時の70%以上の発光強度が得られ、Gd3+置換量が10原子%以下であれば6000〜8000Kの色温度領域において200℃で室温時の70%以上の発光強度が得られる。
以下、半導体発光装置の高出力点光源化に伴い発生する課題の中で、上述したもの以外の波長変換体に関わる代表的な課題を列挙する。
上記蛍光体層の温度上昇の課題を抑制するために、熱伝導率が大きく放熱性に優れるセラミックス系成形体(例えば、透光性蛍光セラミックス)を波長変換体として用いようとした時、樹脂蛍光膜以上に色むらの課題が顕著になる課題。(これは指向性の強いLEDチップ光と、均一拡散する波長変換光との配光特性の違いに起因して、出力光を正面から見たときに、中央部ではLEDチップ光(例えば青色光)が優勢となり、周辺部では波長変換光(例えば黄色光)が優勢となって発光色が分離し、均一な混色光(例えば白色光)を得ることが困難となる課題である。)
また、このような技術の視点からの課題だけでなく、製造販売の視点の課題もあった。投入電力密度の増加や大電流化とは直接関係しないものも含めて、それを列記すると、例えば、以下の課題である。
例えば、青色LED光と、波長変換体によって波長変換された黄色光の混色によって白色光を得る原理の白色LEDでは、チップへの投入電力密度の増加に伴い、チップや波長変換体などの多くの部材は、僅かな外部環境変化によって特性ばらつきが大きくなる条件下での使用を強いられる。このため、出力光の特性ばらつき、特に色調ばらつきが、投入電力密度の増加に伴って加速度的に大きくなる課題。
白色LEDは、一般に、他の蛍光体応用デバイス(蛍光ランプ、CRT、PDP、FED、VFDなど)とは蛍光膜形成工程の面で根本的に異なっており、デバイス製造工程の後半に蛍光膜形成工程が付加される特徴を持つ。一般に、蛍光膜の高品質/高性能化には比較的高度の技術的ノウハウを要するため、他の蛍光体応用デバイスでは、蛍光膜形成工程は別工程で行い、後半の工程で、他の工程と組み合わせることによってデバイスを完成するが、白色LEDの場合、このようなことは少ない。最終に近いデバイス製造工程で蛍光膜形成工程を付加するため、蛍光膜形成仕掛品の不具合発生時の製造ロスが大きく、製造コスト高要因を抱える課題。
白色LEDは開発の歴史が浅いにも関わらず、市場は急成長しつつあり、話題性が高まって、企業間競争が激しいものとなっている。このため、市場形成途上の小さな市場規模の中で、希少価値のある開発途上の高価な部材(例えば、高出力LEDチップ、赤色蛍光体、放熱基板など)を用いなければ、市場要望を満たす商品開発が困難な状況にあり、必然的に製造コストが高くなる課題。
図16及び図17は、本発明に係る半導体発光装置を用いて構成した、前照灯具(プロジェクション用光源や車載用ヘッドランプなど)の一例を示す側断面図である。
図16及び図17において、半導体発光装置27は、実施形態1で説明した半導体発光装置であり、電力供給によって出力光28を放つものである。
なお、好ましい前記波長変換体4は、全体が波長変換層4aとなる全無機の波長変換体であり、例えば、透光性蛍光セラミックス、蛍光ガラス、前記MGC光変換部材である。
図16は、前照用光源装置の一例であり、前記本発明に係る半導体発光装置27を、外部放熱体29に、固定治具30を用いて固定し、横方向に放たれる半導体発光装置の出力光28が、そのまま光源装置の出力光として放たれるように構成したものである。
2a 配線導体A
2b 配線導体B
3 固体発光素子
4 波長変換体
4a 波長変換層
5 配線導体C
6 電極パッド
7 絶縁性基体
8 導電性基体
9 透光性基体
10 反射層
11 半導体発光層
12 透光性電極
13 電極
14a 給電電極A
14b 給電電極B
15 一次光
16 透光性母材
17 蛍光体
17a 蛍光体成形体
17b 蛍光体粒子群
18 光拡散体
20 透光性被着基体
21 電極取り出し部
22 給電端子
23 接着剤
24 絶縁体
25 光透過物
26 遮光物
27 半導体発光装置
28 出力光
29 外部放熱体
30 固定治具
31 取り付けねじ
32 光学レンズ
33 反射鏡
Claims (15)
- 固体発光素子と、当該固体発光素子が放つ一次光をより長波長の光に変換する波長変換体とを備え、
前記波長変換体は、ガーネット結晶構造を有する蛍光体を含んだ透光性の波長変換層を備える無機成形体であり、
前記蛍光体は、Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Gd、Tb、Luから選ばれる少なくとも一つの元素を含んでなる構成元素群を含み、前記構成元素群の一部がCe3+で置換されており、その置換量が前記構成元素群に対して0.01原子%以上1原子%以下である
ことを特徴とする半導体発光装置。 - 前記構成元素群に対するCe3+の置換量が0.5原子%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記一次光は440〜470nmに発光ピークを持ち、前記構成元素群に対するGd3+の置換量は0〜50at%であり、かつ、相関色温度が2800〜6700Kの範囲の白色系光を放つことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記ガーネット結晶構造を構成する前記構成元素群の主体はYとGdであることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、厚みが10μm以上600μm未満であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、波長450nmの青色光励起下における室温条件下での絶対内部量子効率が85%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換体は、透光性の接着物質を介して、前記固体発光素子の主光取り出し面上に密着形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、その外郭が前記固体発光素子の上面の外郭又は主光取り出し面の外郭に沿うよう形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光装置。
- 前記固体発光素子は、上面又は上下面に対をなす給電電極を備え、前記主光取り出し面の対向面となる底面全体が放熱部材と密着するよう実装されていることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、前記給電電極を避けながら前記主光取り出し面の全面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、多角形の外郭の少なくとも一つの角に、少なくとも一つの切り込み又は削り込みを有することを特徴とする請求項10に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換体は、前記一次光を波長変換する波長変換層と、前記波長変換層を支持し、前記一次光を波長変換しない透光性被着基体とからなり、前記透光性被着基体は、前記波長変換層よりも体積が大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記透光性被着基体は、対をなす被着層からなり、それら被着層で前記波長変換層を挟み込んでいることを特徴とする請求項12に記載の半導体発光装置。
- 請求項1に記載の半導体発光装置を用いて構成したことを特徴とする光源装置。
- 前記波長変換体が板状であることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の半導体発光装置。
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