JP2012038889A - 蛍光部材および発光モジュール - Google Patents

蛍光部材および発光モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】光取り出し効率を向上する蛍光部材を提供する。
【解決手段】半導体発光素子の光の波長を変換する板状の蛍光部材において、蛍光部材は、屈折率が１．５以上、半導体発光素子の発光ピーク波長における光透過率が２０％未満の無機材料で構成されている。蛍光部材の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面に凹部が形成されている。蛍光部材は、波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光に対する光透過率が２０％未満であってもよい。凹部は、溝であってもよい。凹部は、点在する複数の穴であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードなどの発光素子を備えた発光モジュールに用いる蛍光部材に関する。
従来、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）から照射される光をセラミックス蛍光体により波長変換して外部に放出する発光装置が開発されている。このような発光装置に用いられる蛍光体として、例えば、波長４２０ｎｍ〜５００ｎｍにおける光透過率の最低値が２０％以上８０％以下であるセラミックス蛍光体が知られている（特許文献１参照）。
国際公開第０６／０９３０１１号パンフレット
しかしながら、上述のセラミックス蛍光体は、波長４２０ｎｍ〜５００ｎｍにおける光透過率の最低値が２０％以上であるため、半導体発光素子から出射した光の蛍光体における吸収という観点では更なる改善が必要である。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光取り出し効率を向上する蛍光部材を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の蛍光部材は、半導体発光素子の光の波長を変換する板状の蛍光部材であって、蛍光部材は、屈折率が１．６以上、半導体発光素子の発光ピーク波長における光透過率が２０％未満の無機材料で構成されており、蛍光部材の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面に凹部が形成されている。
この態様によると、無機材料で構成される蛍光部材で半導体発光素子の光の波長が変換される変換効率が高くなる。また、屈折率が１．６以上の蛍光部材は、空気との界面での臨界角が比較的小さい。そのため、界面に入射する光のうち入射角が臨界角より大きい光は、全反射により蛍光部材の外部へ出射できないことになる。そこで、蛍光部材の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面に凹部を形成することで、界面に入射する光の入射角を部分的に異ならせることが可能となり、出射する側の面が凹部のない平坦な面の場合と比較して、光の取り出し効率を向上することができる。
蛍光部材は、波長が４２０ｎｍ〜５００ｎｍの光に対する光透過率の最小値が２０％未満であってもよい。これにより、例えば、蛍光部材が青色光を黄色光に変換する材料の場合、発光効率の高い白色光が得られる。
凹部は、溝であってもよい。これにより、簡易に凹部を形成することができる。
凹部は、点在する複数の穴であってもよい。これにより、所望の位置に分散して凹部を形成することが容易となる。一般的に、半導体発光素子は表面のいずれかに電極が形成されている。電極が形成された領域の一部では、半導体発光素子が発光しないため、そのような電極の上方（出射側）に存在する蛍光部材では、波長変換された光の割合が多いことになる。そのため、電極の上方部分とその他の部分との間で色むらが生じる一因となる。そこで、例えば、蛍光部材のうち電極と対向する領域に対応させて複数の穴を形成することで、その部分の蛍光部材が減少し、色むらが軽減される。
凹部は、深さが５μｍ以上であってもよい。これにより、凹部を形成する界面に入射する光が増加し、光の取り出し効率をより向上することができる。
凹部の底部における蛍光部材の厚みが７０μｍ以下であってもよい。
本発明の別の態様は、発光モジュールである。この発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子の発光面に対向するように設けられた蛍光部材と、を備える。
この態様によると、無機材料で構成される蛍光部材で半導体発光素子の光の波長が変換される変換効率が高くなる。また、屈折率が１．６以上の蛍光部材は、空気との界面での臨界角が比較的小さい。そのため、界面に入射する光のうち入射角が臨界角より大きい光は、全反射により蛍光部材の外部へ出射できないことになる。そこで、蛍光部材の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面に凹部を形成することで、界面に入射する光の入射角を部分的に異ならせることが可能となり、出射する側の面が凹部のない平坦な面の場合と比較して、光の取り出し効率を向上することができる。したがって、発光モジュール全体の発光効率を向上することができる。
蛍光部材は、半導体発光素子の電極の少なくとも一部と対向する位置に凹部が形成されていてもよい。例えば、電極が形成された領域の一部では、半導体発光素子が発光しないため、そのような電極の上方に存在する蛍光部材では、波長変換された光の割合が多いことになる。そのため、電極の上方部分とその他の部分との間で色むらが生じる一因となる。そこで、例えば、蛍光部材のうち電極と対向する領域に凹部を形成することで、その部分の蛍光部材が減少し、蛍光部材全体の色むらが軽減される。
蛍光部材は、対向する半導体発光素子の外周よりも外側の領域に凹部が形成されていてもよい。半導体発光素子の外周よりも外側の領域にある蛍光部材は、半導体発光素子の透過光よりも半導体発光素子の光の波長を変換した変換光の割合が多く、半導体発光素子の外周よりも内側の領域にある蛍光部材と比較して、より変換光に近い色になりがちである。そのため、対向する半導体発光素子の外周よりも外側の領域に凹部を形成することで、光取り出し効率の向上を図るとともに、その部分の蛍光部材が減少し、蛍光部材全体の色むらが軽減される。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、光取り出し効率を向上する蛍光部材を提供することができる。
本実施の形態に係る発光モジュールを模式的に示した断面図である。 図１に示す発光モジュールをＡ方向から見た上面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、屈折率の異なる物質の界面での光の屈折を説明するための模式図である。 図４（ａ）は、溝形状の凹部の変形例を示す蛍光部材の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す蛍光部材のＢ−Ｂ断面図である。 図５（ａ）は、凹部として複数の穴が形成された蛍光部材の上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す蛍光部材のＣ−Ｃ断面図である。 実施例１に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。 実施例２に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。 実施例３に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。 発光モジュールを蛍光部材の光出射面側から見た場合の電極の位置を模式的に示した図である。 図９に示すラインＬ１（電極付近）およびＬ２（中心付近）における色度の変化を示すグラフである。 図７に示す蛍光部材における色度の変化を示す図である。 図８に示す蛍光部材における色度の変化を示す図である。 本実施の形態に係る発光モジュールの変形例を示す模式図である。 複数の半導体発光素子を備えた発光モジュールを模式的に示した図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る発光モジュールを模式的に示した断面図である。図２は、図１に示す発光モジュールをＡ方向から見た上面図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る発光モジュール１０は、半導体発光素子１２と、半導体発光素子１２の発光面（光出射面）１２ａに対向するように設けられた蛍光部材１４と、を備える。
［半導体発光素子］
半導体発光素子１２は、白色光を発する発光モジュール１０に用いられる場合、例えば、紫外線、短波長可視光、青色光などを発するＬＥＤやＬＤなどが適している。本実施の形態においては、半導体発光素子１２は、例えば、窒化ガリウム系半導体からなる半導体層１６をサファイア基板１８上に成長させた構成であり、例えば４２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下といった波長域にピーク波長を有する青色光を半導体層１６において生成する。また、半導体発光素子１２は、半導体層１６の厚さ方向と交差する光出射面１２ａ（サファイア基板１８の裏面に相当）、及び光出射面１２ａの縁に沿った側面１２ｂを有する。
半導体層１６において生成された青色光は、光出射面１２ａ及び側面１２ｂから半導体発光素子１２の外部へ出射される。なお、本実施の形態の光出射面１２ａは、図１に示すように矩形状（正方形状、長方形状など）に形成されている。光出射面１２ａの一辺の長さ（長方形状の場合は短辺の長さ）ｄは、例えば３００μｍ〜１５００μｍといった値である。
半導体層１６は、サファイア基板１８の主面１８ａ上にエピタキシャル成長により形成される。本実施の形態に係る半導体層１６は、第１のクラッド層として機能するｎ型ＧａＮ層２０、第２のクラッド層として機能するｐ型ＧａＮ層２２、及びｎ型ＧａＮ層２０とｐ型ＧａＮ層２２との間に挟まれた発光層２４が、サファイア基板１８の主面１８ａ上に積層されている。なお、半導体層１６は、ｎ型ＧａＮ層２０、発光層２４、及びｐ型ＧａＮ層２２の他、更に別の層（例えば、サファイア基板１８とｎ型ＧａＮ層２０との間のバッファ層など）を有してもよい。
半導体発光素子１２は、半導体層１６へ電力を供給するためのアノード電極２６及びカソード電極２８を更に有する。アノード電極２６は、ｐ型ＧａＮ層２２とのオーミック接合によりｐ型ＧａＮ層２２と電気的に接続されている。また、カソード電極２８は、ｎ型ＧａＮ層２０の露出表面とのオーミック接合によりｎ型ＧａＮ層２０と電気的に接続されている。半導体発光素子１２は、アノード電極２６及びカソード電極２８が配線基板３０上の配線パターンにはんだ３２等を用いて接合されることにより、配線基板３０上にフリップチップ実装される。
アノード電極２６とカソード電極２８との間に電圧が印加されると、アノード電極２６とカソード電極２８との間に電界が発生する。そして、ｎ型ＧａＮ層２０及びｐ型ＧａＮ層２２において発生したキャリアが発光層２４に集中する。これにより、発光層２４において青色光が発生する。発光層２４において発生した青色光は、透明なサファイア基板１８を透過して光出射面１２ａ及び側面１２ｂから半導体発光素子１２の外部へ出射される。
［蛍光部材］
蛍光部材１４は、屈折率が１．６以上であり、より好ましくはサファイア基板１８の屈折率との差が小さいとよい。この場合、サファイア基板１８から蛍光部材１４へ向かう光がサファイア基板１８と蛍光部材１４との界面で全反射されることが抑制され、光の取り出し効率を向上することができる。なお、蛍光部材１４は、蛍光部材１４の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の光出射面１４ａに凹部１４ｂが形成されている。本実施の形態に係る凹部１４ｂは、図１や図２に示すように、蛍光部材１４の上面に形成された複数の溝により構成される。
また、蛍光部材１４は、半導体発光素子１２の発光ピーク波長における光透過率が２０％未満の無機材料で構成されている。例えば、波長が４２０ｎｍ〜５００ｎｍの光に対する光透過率の最小値が２０％未満である蛍光部材が用いられる。蛍光部材１４における半導体発光素子１２の発光ピーク波長における光透過率の最小値が２０％未満であれば、半導体発光素子１２が発する光の大部分が蛍光部材１４で変換されていることになり、すなわち、変換効率が高くなる。なお、蛍光部材の光透過率の下限は特に限定されないが、発光モジュールとしての使用が実用上問題ない程度であればよい。また、半導体発光素子１２の発光ピーク波長以外の波長域では、蛍光部材は透明である。ここで、蛍光部材が透明とは、例えば、ある波長の光の透過率が４０％以上である場合、というように捉えることができる。
無機材料としては、蛍光作用を奏するガラスやセラミックスが挙げられる。蛍光部材が青色光を黄色光に変換する材料の場合、発光効率の高い白色光が得られる。以下では、セラミックス材料からなる蛍光部材を例に説明する。
本実施の形態に係る蛍光部材１４の光線透過率はセラミックスの両面を鏡面研磨したものを測定した。セラミックスは分光光度計（島津製作所製ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ−３７００）の受光部分（積分球の入射穴）から５ｃｍ離したところにセットして光を垂直に入射して測定した。セラミックスは半導体発光素子１２が発する光の波長で波長変換して発光するため、分光器の受光器が反応して、実質の透過率よりも高い値を示す。そこで波長変換した光を受光器に入れないように、受光部分からセラミックスを５ｃｍ離して測定した。これにより、セラミックスの透過率の真値を計ることができる。ここでいう透過率とは、蛍光部材１４の後述する光入射面から光出射面１４ａまでの厚さｔ方向に対する直線的な透過率（入射光強度に対する出射光強度率）のことを差す。
本実施の形態に係る蛍光部材１４は、半導体発光素子１２の光の波長を変換する板状の部材であり、蛍光物質を含有しており、半導体発光素子１２の光出射面１２ａ上に設けられている。蛍光部材１４は、半導体発光素子１２からの青色光により励起され、青色の補色である黄色の蛍光を発する。したがって、蛍光部材１４の表面から出射される光は、蛍光部材１４を透過した青色光、及び蛍光部材１４から発光された黄色の蛍光に基づく白色光となる。蛍光部材１４から発光される蛍光は、例えば５１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下といった波長域にピーク波長を有することが好ましい。
前述のように、本実施の形態に係る蛍光部材１４は、単一の無機材料のみで構成されたセラミックス焼結体からなる。ここで「単一の無機材料のみで構成された」とは、蛍光体内に樹脂等の有機物質を実質的に含まず、一種類の均質な無機材料で構成されていることをいう。また、「光出射面」とは、蛍光部材１４から光が出力される面のことを差す。
なお、本実施の形態では、便宜上、図１に示す蛍光部材１４に対して裏面１４ｃ側に半導体発光素子１２を配置するという想定で、裏面１４ｃを半導体発光素子１２からの光が入射する面（以下、光入射面という）とし、混色した光が出射される面を光出射面１４ａとする。
本実施の形態に係る蛍光部材１４は、単一の無機材料のみで構成されている。このように、樹脂等を含まない一種類の均質な無機材料のみで構成されているため、樹脂の劣化による発光強度の低下や短寿命化を防止することができる。
また、一種類の均質な無機材料のみで構成されているため、蛍光部材１４内における光散乱が極めて少なく、半導体発光素子１２側への光の戻り量（反射量）を少なくすることが可能となる。したがって、発光ダイオードの高輝度化を実現することができる。
本実施の形態に係る無機材料は、Ｃｅを含有するＹＡＧ単一相で構成されている。また、本実施の形態に係る蛍光体はセラミックス焼結体で構成されている。そのため、高い耐熱性、耐光性を備えることができ、発光モジュール１０の長寿命化を図ることができる。
なお、ここでいう蛍光のピーク波長は、蛍光部材１４がＣｅ：ＹＡＧの場合は５５０〜６００ｎｍの波長領域で得られるピーク波長を差す。
本実施の形態に係る蛍光部材１４は、蛍光部材１４の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面１４ａに凹部１４ｂが形成されている。このような凹部１４ｂを設けた理由について以下に詳述する。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、屈折率の異なる物質の界面での光の屈折を説明するための模式図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、屈折率の高い物質（蛍光部材１４）から屈折率の低い物質（空気）へ向かう光の経路を示している。図３（ａ）に示すように、入射角ｉ１が臨界角θｃより小さい場合、光は屈折しながら蛍光部材１４から出射する。一方、図３（ｂ）に示すように、入射角ｉ２が臨界角θｃ以上の場合、光は全反射し外部へ出射しない。特に、屈折率が１．６以上の蛍光部材１４は、空気との界面での臨界角が比較的小さい。そのため、界面に入射する光のうち入射角ｉが臨界角θｃより大きい光の割合は、屈折率が低い物質と比較して、相対的に多くなり、光取り出し効率の低下を招く。
そこで、本実施の形態に係る蛍光部材１４は、表面に凹部１４ｂを設けた。凹部１４ｂは、蛍光部材１４の表面の開口部から底部まで幅が一定である。図３（ｃ）に示すように、凹部１４ｂが形成されている蛍光部材１４の内部においては、図３（ｂ）と同様の方向に進む光であっても、その一部が凹部１４ｂの側面１４ｂ１に入射する場合、入射角ｉ３が臨界角θｃよりも小さくなる場合がある。そのため、蛍光部材１４の光出射面１４ａが完全に平坦であれば出射できない光も、その一部が外部へ出射できることになる。つまり、凹部１４ｂにより界面に入射する光の入射角を部分的に異ならせることが可能となり、出射する側の面が凹部のない平坦な面の場合と比較して、光の取り出し効率を向上することができる。したがって、発光モジュール１０全体の発光効率を向上することができる。
以下に、凹部の形状や大きさなどの変形例について更に詳述する。図４（ａ）は、溝形状の凹部の変形例を示す蛍光部材の上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す蛍光部材のＢ−Ｂ断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、蛍光部材３４の凹部３４ａは、直線状の溝であり、蛍光部材３４の表面の開口部から底部に向かって幅が狭くなっている。つまり、凹部３４ａの側面が斜めになっている。
凹部を溝状に形成するには、例えば、ダイシングによる加工の際にハーフカットすることで可能となる。その際、ダイシングブレードの先端をＶ字形状や斜めにすることで、凹部の側面を斜め加工（テーパ加工）できる。このように凹部として溝を設ける場合には、比較的簡易に形成することができる。
次に、凹部の形状の他の変形例について詳述する。図５（ａ）は、凹部として複数の穴が形成された蛍光部材の上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す蛍光部材のＣ−Ｃ断面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、蛍光部材３６には、円形の穴３６ａが縦３個×横３個の計９個形成されている。凹部として穴を形成するには、ドリルやレーザによる加工が適している。
以下、本発明を実施例に基づき更に具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
はじめに、以下の各実施例における蛍光部材の製造方法について詳述する。純度９９．９％の酸化アルミニウム粉末（平均粒径：０．５μｍ）、純度９９．９％の酸化イットリウム粉末（平均粒径：０．６μｍ）、酸化セリウム粉末（平均粒径：０．８μｍ）を、組成１ａｔ％Ｃｅ：ＹＡＧ組成となるように秤量する。そして、エタノールを分散液として、前述の秤量した粉末に対して１ｗｔ％のアクリル樹脂バインダと、焼結助剤として０．５ｗｔ％のコロイダルシリカを添加し、共にボールミルによって混合し、スラリーを作製した。得られたスラリーをスプレードライヤによって造粒し、二次粒子径約５０μｍの造粒粉を作製した。この造粒粉を金型成形及び冷間静水圧成形によって成形し、その成形体を大気中１０００℃にて脱脂仮焼した。
次に、前述の仮焼した成形体を、１７５０〜１８００℃程度の温度にて焼成し、Ｃｅ：ＹＡＧ焼結体を作製した。
次に、焼成したすべて焼結体を加工し、所定の厚さ（１５０μｍまたは２５０μｍ）の板状体とし、光入射面及び光出射面の表面に鏡面研磨を施し、表面粗さ（Ｒａ）１．０ｎｍの鏡面とした。なお、蛍光部材の厚みは、例えば、１０〜５００μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
次に、光出射面となる一方の面に対して、研削加工を行い種々の凹部が形成された蛍光部材を試料として作製した。また、以下の各実施例および各表に示すように、凹部の形状や大きさについて異なる条件の試料をそれぞれ作製した。
得られた各々のＣｅ：ＹＡＧ焼結体からなる蛍光部材に対して、光入射面が半導体発光素子１２側になるように、半導体発光素子１２に搭載した。その後、半導体発光素子１２を点灯させて蛍光部材の光出射面側の輝度を測定した。
（実施例１）
図６は、実施例１に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。図６に示す蛍光部材３８は、縦横に複数の溝が５本ずつ形成されている。また、溝の幅は深さによらず均一である。表１には、凹部が全く形成されていない比較試料および溝の深さを変えた試料１−１〜試料１−４と、それぞれの試料を用いたときの発光モジュールとしての輝度とが記載されている。なお、各試料における輝度の値は、比較試料を用いた場合の輝度を１．００としたときの相対値である。図６に示す蛍光部材３８は、溝の深さＤ＝５０μｍ、溝の底部に当たる蛍光部材の最薄部の厚みＥ＝１００μｍ、溝の幅Ｗ＝５０μｍ、溝と溝との間の未加工の部分の幅Ｓ＝５０μｍであり、試料１−３に該当する。
Figure 2012038889
表１に示すように、蛍光部材３８の光出射面側に凹部として溝を設けることで輝度が向上していることがわかる。また、輝度は、溝の深さが深くなるにつれて増加していることがわかる。つまり、溝を深く掘ることで、溝の側面の割合が多くなり、溝を構成する側面（界面）に入射する光が増加する。その結果、表面が平坦な場合には全反射により外部へ出射できなかった光についても外部へ取り出すことが可能となり、光の取り出し効率がより向上することになる。なお、溝の深さは３μｍ以上が好ましい。深さが３μｍ未満であると、溝の側面の割合は僅かであり、輝度の向上が余り期待できない。より好ましくは溝の深さは５μｍ以上である。更により好ましくは溝の深さは２５μｍ以上である。深さが２５μｍ以上であれば、表１に示すように、５０％以上の輝度の向上が期待できる。
（実施例２）
図７は、実施例２に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。図７に示す蛍光部材４０は、縦横に複数の溝が７本ずつ形成されている。また、溝の幅は底部に向かうにつれて狭くなるようにテーパ加工されており、溝の断面は略Ｖ字状になっている。表２には、比較試料および溝の形状が異なる試料２−１〜試料２−９と、それぞれの試料を用いたときの発光モジュールとしての輝度とが記載されている。なお、各試料における輝度の値は、比較試料を用いた場合の輝度を１．００としたときの相対値である。図７に示す蛍光部材４０は、テーパ角度２５°（蛍光部材の表面に垂直な線と溝の側面とのなす角度）、溝の深さＤ＝１００μｍ、溝の底部に当たる蛍光部材の最薄部の厚みＥ＝５０μｍ、溝の本数は縦横７本、溝と溝との間の未加工の部分の幅Ｓ＝５０μｍである。
Figure 2012038889
表２に示すように、蛍光部材４０の光出射面側に凹部として斜面を有する溝を設けることで輝度が向上していることがわかる。また、輝度は、例えば、比較試料、試料２−１、試料２−２との比較、あるいは、試料２−７〜試料２−９の比較から明らかなように、溝の深さが深くなるにつれて増加していることがわかる。つまり、溝を深く掘ることで、溝の側面の割合が多くなり、溝を構成する側面（界面）に入射する光が増加する。その結果、表面が平坦な場合には全反射により外部へ出射できなかった光についても外部へ取り出すことが可能となり、光の取り出し効率がより向上することになる。
また、試料２−２〜試料２−４を比較すると、溝の深さが同じでもテーパ角度が大きくなるにつれて輝度が向上していることがわかる。溝の数、溝の深さが同じでもテーパ角度が大きくなることで、溝の側面の面積が大きくなるため、溝の側面から外部へ取り出される光の割合が多くなると考えることができる。表２に示すように、より好ましくはテーパ角度は２５°以上であるとよい。溝の深さは深いほどよく、例えば、試料２−９に示すように、溝の深さが蛍光部材４０の厚みと同じ１５０μｍの場合、輝度は比較試料の２．８９倍となり、光の取り出し効率が顕著に向上していることがわかる。
次に、蛍光部材の厚みの相違による輝度の変化について検討する。表３は、蛍光部材全体の厚みを２５０μｍとした場合の溝の形状による輝度の違いを比較したものである。
Figure 2012038889
表３に示す比較試料および試料２−１０の輝度を比較すると明らかなように、蛍光部材自体の厚みが厚くなると、輝度は低下する。一方、試料２−１０〜試料２−１２を比較すると明らかなように、溝の深さが大きくなると輝度は向上している。つまり、蛍光部材自体の厚みが変わっても輝度の変化の傾向は同じである。
（実施例３）
図８は、実施例３に係る蛍光部材を光出射面側から見た斜視図である。図８に示す蛍光部材４２は、縦横にマトリックス状に配列した複数の穴が９３個形成されている。また、穴の幅は底部まで同じ若しくは底部に向かって狭くなるように形成されている。表４、表５には、比較試料および溝の形状が異なる試料３−１〜試料３−１２と、それぞれの試料を用いたときの発光モジュールとしての輝度とが記載されている。なお、各試料における輝度の値は、比較試料を用いた場合の輝度を１．００としたときの相対値である。図８に示す蛍光部材４０は、テーパ角度０°（穴が垂直に形成されている。）、穴の直径Ｌ＝１００μｍ、穴の深さＤ＝１００μｍ、穴の底部に当たる蛍光部材の最薄部の厚みＥ＝５０μｍ、穴の個数は９３個、穴と穴とのピッチＰ＝１２０μｍであり、試料３−８に相当する。
Figure 2012038889
Figure 2012038889
表４に示すように、蛍光部材４２の光出射面側に凹部として穴を設けることで輝度が向上していることがわかる。また、表４に示す試料３−５〜試料３−７を比較すると明らかなように、輝度は、穴の深さが深くなるにつれて増加していることがわかる。つまり、穴を深く掘ることで、穴の側面の割合が多くなり、穴を構成する側面（界面）に入射する光が増加する。その結果、表面が平坦な場合には全反射により外部へ出射できなかった光についても外部へ取り出すことが可能となり、光の取り出し効率がより向上することになる。穴の直径は、２０μｍ以上が好ましく、より好ましくは４０μｍ以上であるとよい。
また、試料３−１、試料３−２、試料３−４を比較すると明らかなように、穴の大きさ、形状が同じであれば、穴の個数が多ければ多いほど輝度が向上する。また、試料３−３〜試料３−５を比較すると明らかなように、穴の直径が大きければ大きいほど輝度が向上する。これらの点についても、穴の側面の割合が多くなることで説明できる。
また、試料３−１０、試料３−１１を比較すると明らかなように、穴の大きさ、深さが同じであれば、ある程度のテーパ角度がある方が輝度が向上する（例えば、０°〜６０°、好ましくは４５°前後）。
なお、上述の各実施例において、溝や穴の底部における蛍光部材の厚みは９０μｍ以下が好ましく、より好ましくは７０μｍ以下がよく、更に好ましくは５０μｍ以下がよい。
次に、半導体発光素子の電極との関係で、凹部を設けるのに最適な位置について検討する。図１に示すように、半導体発光素子１２は、サファイア基板１８の全面が均一に発光しているわけではなく、電極や発光層の形状によって明るさにむらが発生する。そのため、例えば、半導体発光素子の光と、蛍光部材において半導体発光素子の光で励起された励起光とを混色させて白色光を得ようとすると、色むらが発生することになる。特に、半導体発光素子の光が発生しない領域の上方では、励起光の割合が多くなる。したがって、青色半導体発光素子と黄色蛍光体とを組み合わせた発光モジュールの場合、光出射面の一部の領域で色味が黄色にシフトすることがある。
図９は、発光モジュールを蛍光部材４４の光出射面側から見た場合の電極の位置を模式的に示した図である。図１０は、図９に示すラインＬ１（電極付近）およびＬ２（中心付近）における色度の変化を示すグラフである。図１０に示すように、凹部が設けられていない蛍光部材４４の場合、電極の位置に対応して周期的な色むらが生じていることがわかる。
そこで、本発明者らは、色むらの原因が電極上方の蛍光部材からの励起光の割合が多くなることに鑑み、無機材料から構成され内部散乱の少ない蛍光部材において、凹部を設けることで光の散乱を促すことに想到した。図１１は、図７に示す蛍光部材４０における色度の変化を示す図である。また、図１２は、図８に示す蛍光部材４２における色度の変化を示す図である。これらの結果より、特に、凹部としてテーパ加工された溝が形成された蛍光部材４２を備えた発光モジュールは、色むらが非常に低減されることがわかる。
また、色むらは、電極の上方の蛍光部材を減らすことでも低減できる。つまり、電極の少なくとも一部と対向する位置の蛍光部材からの励起光を減らすことで、色度が励起光側にシフトすることが低減される。この場合、凹部として複数の穴を設ける場合、所望の位置、特に電極に対応した位置に分散して凹部を形成することがより容易となる。
したがって、図１に示す蛍光部材１４のように、半導体発光素子１２の電極２６，２８の少なくとも一部と対向する位置に凹部１４ｂが形成されているとよい。
図１３は、本実施の形態に係る発光モジュール１１０の変形例を示す模式図である。図１３に示すように、蛍光部材４６が半導体発光素子４８よりも面積が大きい場合、半導体発光素子４８の外側の領域４６ａにある蛍光部材の光出射面では、励起光の割合が多くなるため、前述と同様に色むらが発生し易くなる。つまり、発光モジュール１１０の投影パターンの外周部において色度がシフトすることになる。
そこで、蛍光部材４６は、対向する半導体発光素子４８の外周よりも外側の領域４６ａに凹部を形成する。これにより、その部分の蛍光部材が減少し、蛍光部材全体の色むらが軽減される。
図１４は、複数の半導体発光素子４８を備えた発光モジュール２１０を模式的に示した図である。蛍光部材５０は、複数の半導体発光素子４８の上部に搭載される板状の部材である。このような発光モジュール２１０においては、隣接する半導体発光素子４８同士の間に隙間が生じるため、その隙間の上方にある蛍光部材５０の領域５０ａにおいては、出射する光に含まれる励起光の割合が多くなる。そこで、半導体発光素子４８同士の間の隙間と対向する蛍光部材の領域５０ａに凹部を設けることで色むらが低減される。
以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、実施の形態や実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や各実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態や各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
上述の実施の形態に係る発光モジュールは、半導体発光素子が配線基板にフリップチップ実装されたものであるが、本願発明は、半導体発光素子と配線基板とをワイヤーボンディングにより接続した発光モジュールであっても適用できる。
１０ 発光モジュール、 １２ 半導体発光素子、 １２ａ 光出射面、 １４ 蛍光部材、 １４ａ 光出射面、 １４ｂ 凹部、 １６ 半導体層、 １８ サファイア基板、 ２４ 発光層、 ２６ アノード電極、 ２８ カソード電極、 ３０ 配線基板。

Claims (9)

  1. 半導体発光素子の光の波長を変換する板状の蛍光部材であって、
    前記蛍光部材は、屈折率が１．５以上、半導体発光素子の発光ピーク波長における光透過率が２０％未満の無機材料で構成されており、
    前記蛍光部材の面のうち半導体発光素子の光が主として出射する側の面に凹部が形成されていることを特徴とする蛍光部材。
  2. 前記蛍光部材は、波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光に対する光透過率の最小値が２０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光部材。
  3. 前記凹部は、溝であることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光部材。
  4. 前記凹部は、点在する複数の穴であることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光部材。
  5. 前記凹部は、深さが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蛍光部材。
  6. 前記凹部の底部における蛍光部材の厚みが７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蛍光部材。
  7. 半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子の発光面に対向するように設けられた請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蛍光部材と、
    を備えることを特徴とする発光モジュール。
  8. 前記蛍光部材は、前記半導体発光素子の電極の少なくとも一部と対向する位置に凹部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発光モジュール。
  9. 前記蛍光部材は、対向する前記半導体発光素子の外周よりも外側の領域に凹部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の発光モジュール。
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