JP2013089814A - 半導体発光装置および車両用灯具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体発光素子1は、発光動作時における発光層内の電流密度に不均一性を有する。波長変換層60s,60lは、発光動作時における発光層内の電流密度の不均一性に起因する光取り出し面内における混合光の色度差を減じるように、半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に高い領域を覆う部分と電流密度が相対的に低い領域を覆う部分で異なる波長変換特性を有する。
【選択図】図5
Description
一般照明や液晶のバックライト等の機器においては、照明範囲または表示範囲の明るさおよび色を均一としたい場合が多い。このため、これらの機器に用いられる半導体発光装置の発光面内における輝度分布および発光色は均一であることが求められる。一方、自動車のヘッドライト等の車両用灯具に用いられる半導体発光装置においては、所望の配光パターンを効率的に得るために、発光面内における輝度分布を意図的に不均一とする場合がある。そのような半導体発光装置およびこれを光源とする車両用灯具の詳細な構成は、例えば本発明者らによって出願された特願2010−187585、特願2010−187586、特願2010−201296、特願2010−201297に記載されている。このような不均一な輝度分布を有する発光素子の発光面に厚さおよび濃度が一定の波長変換層を形成した場合、波長変換層によって波長変換される光と波長変換されることなく波長変換層を透過する光の混合比が低輝度領域と高輝度領域で異なるため混合光に色ムラが生じる結果となる。
III族窒化物半導体からなる半導体発光素子において、発光動作時における電流密度の高い領域から発せられる光の波長が短波長化するいわゆるブルーシフトと呼ばれる現象が知られている。例えば、電流密度が10A/cm2から100A/cm2に変化すると、発光波長は20nm程度短くなる場合がある。すなわち、発光動作時における発光素子内部の電流密度分布が不均一である場合、発光面内における発光波長分布も不均一となる。
図2(a)は、本発明の実施例に係る半導体発光素子1の構成を示す平面図、図2(b)は、図2(a)における2b−2b線に沿った断面図である。図2(c)は、半導体発光素子1の図2(a)におけるY方向に沿った輝度分布を示す図である。半導体発光素子1は、半導体膜30に支持基板10を接合して構成されるいわゆるthin-film構造の発光素子である。また、半導体発光素子1は、p電極20とn電極40が半導体膜30を挟んで対向配置されたいわゆる縦型構造の発光素子である。
図4は、上記した半導体発光素子1の表面(主発光面)に蛍光体を含む波長変換層を積層して構成された本発明の実施例2に係る半導体発光装置2bの構造を示す断面図である。半導体発光装置2bは、半導体発光素子1の表面に蛍光体の含有濃度が互いに異なる3つの波長変換層60a、60b、60cを有する。3つの波長変換層60a、60b、60cは、半導体発光素子1の発光動作時における不均一な輝度分布に対応して蛍光体の濃度が調整されている。すなわち、半導体発光素子1の輝度(電流密度)が最も高い領域を覆う波長変換層60aに含まれる蛍光体の濃度が最も高く、輝度(電流密度)が最も低い領域を覆う波長変換層60cに含まれる蛍光体の濃度が最も低く、輝度が最も高い領域と最も低い領域の間の領域を覆う波長変換層60bに含まれる蛍光体の濃度が他の2つの中間となるように調整されている。これにより、上記した実施例1の場合と同様、半導体発光素子1の輝度(電流密度)の高い領域においてより多くの青色光が黄色光に変換され、輝度(電流密度)の低い領域においては黄色光への変換量はより少なくなる。つまり、波長変換層は、半導体発光素子1の輝度(電流密度)が高い領域を覆う部分と輝度(電流密度)が低い領域を覆う部分とで異なる波長変換特性を有する。従って、波長変換されることなく波長変換層60a、60b、60cを透過して外部に取り出される青色光と、波長変換層60a、60b、60cによって波長変換されて外部に取り出される黄色光の割合(混合比)が、半導体発光装置2bの光取り出し面内において略一定となり、色ムラのない混合光を得ることができる。尚、本実施例では、蛍光体の含有濃度が異なる3つの波長変換層60a、60b、60cを設ける場合を例示したが、蛍光体の含有濃度が互いに異なる2つまたは4つ以上の波長変換層を設けることとしてもよい。
図5は、上記した半導体発光素子1の表面に蛍光体を含む波長変換層を積層して構成された本発明の実施例3に係る半導体発光装置2cの構造を示す断面図である。半導体発光装置2cにおいて、半導体発光素子1の表面にはそれぞれが互いに異なるドミナント波長を有する蛍光体を含む波長変換層60s、60lが設けられている。
図7(a)は、上記した半導体発光素子1の表面に蛍光体を含む波長変換層を積層して構成された本発明の実施例4に係る半導体発光装置2dの構造を示す断面図である。半導体発光装置2dにおいて、半導体発光素子1の表面にはそれぞれが互いに異なるドミナント波長を有する蛍光体を含む波長変換層60s、60lが設けられている。上記した実施例3に係る半導体発光装置2cにおいては、波長変換層60sおよび6lにそれぞれ含有される蛍光体の濃度を調整することにより青色光と黄色光の混合比を調整し、所望の色度の混合光を得ることとしていた。これに対し、本実施例に係る半導体発光装置2dは、波長変換層60sおよび60lの層厚を調整することによって青色光と黄色光の混合比を調整し、所望の色度の混合光を得るようにしたものである。すなわち、半導体発光素子1の電流密度の高い領域(n電極40が延在している領域)を覆う波長変換層60sの層厚は、電流密度の低い領域(n電極40が延在していない領域)を覆う波長変換層60lの層厚よりも大きくなっている。本実施例に係る半導体発光装置2dによれば、上記した実施例3に係る半導体発光装置2cと同様の効果を得ることができる。尚、波長変換層60s、60lの層厚を半導体発光素子1の電流密度分布に応じて連続的に変化させることとしてもよい。
図7(b)は、上記した半導体発光素子1の表面に蛍光体を含む波長変換層を積層して構成された本発明の実施例5に係る半導体発光装置2eの構造を示す断面図である。半導体発光装置2eにおいて、半導体発光素子1の表面にはそれぞれが互いに異なるドミナント波長を有する蛍光体を含む波長変換層60s、60lが設けられている。より長波長のドミナント波長を有する蛍光体を含有する波長変換層60lは、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が相対的に高い領域および低い領域を含む発光面全体を覆っている。一方、より短波長のドミナント波長を有する蛍光体を含有する波長変換層60sは、半導体発光素子1の動作時における電流密度が相対的に高い領域(n電極40が延在している領域)のみを覆っている。すなわち、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が高い領域には、波長変換層60sおよび60lが積層されている。波長変換層60sおよび60lが積層されている部分におけるドミナント波長は、各波長変換層におけるドミナント波長の中間となる。本実施例に係る半導体発光装置2eによれば、上記した実施例3に係る半導体発光装置2cと同様の効果を得ることができる。更に、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が高い領域を覆う部分におけるドミナント波長を2つの波長変換層60sおよび60lの層厚比によって制御することができるので、混合光の色度の調整をより高精度に行うことが可能となる。
図7(c)は、上記した半導体発光素子1の表面に蛍光体を含む波長変換層を積層して構成された本発明の実施例6に係る半導体発光装置2fの構造を示す断面図である。半導体発光装置2fにおいて、半導体発光素子1の表面にはそれぞれが互いに異なるドミナント波長を有する蛍光体を含む波長変換層60s、60lが設けられている。より長波長のドミナント波長を有する蛍光体を含有する波長変換層60lは、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が相対的に高い領域および低い領域を含む発光面全体を覆っている。一方、より短波長のドミナント波長を有する蛍光体を含有する波長変換層60sは、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が相対的に高い領域(n電極40が延在している領域)のみを覆っている。すなわち、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が高い領域には、波長変換層60sおよび60lが積層されている。更に、波長変換層60sおよび60lの上面が単一の平面を形成するように傾斜しており、波長変換層60sおよび60lが積層されている部分においてこれら2つの波長変換層の層厚比が連続的に変化している。本実施例に係る半導体発光装置2fによれば、上記した実施例3に係る半導体発光装置2cと同様の効果を得ることができる。更に、半導体発光素子1の発光動作時における電流密度が高い領域から低い領域に向けて波長変換層におけるドミナント波長が短波長から長波長に連続的に変化するので、波長変換層の波長変換特性を半導体発光素子1の電流密度分布(発光波長分布)に厳密に対応させることができ、混合光の色度の均一性をより向上させることができる。
図8は、上記した本発明の実施例1〜6に係る半導体発光装置2a〜2fのいずれかを光源として備えた車両用灯具101(リフレクタ型)の構成を示す図である。尚、図8および以下の説明において、半導体発光装置2aが代表として示されているが、これを半導体発光装置2b〜2fのいずれかに置換することが可能である。
図10は、上記した本発明の実施例1〜6に係る半導体発光装置2a〜2fのいずれかを光源として備えた車両用灯具102(プロジェクター型)の構成を示す図である。尚、図10および以下の説明において、半導体発光装置2aが代表として示されているが、これを半導体発光装置2b〜2fのいずれかに置換することが可能である。
図11は、上記した本発明の実施例1〜6に係る半導体発光装置2a〜2fのいずれかを光源として備えた車両用灯具103(ダイレクトプロジェクション型)の構成を示す図である。尚、図11および以下の説明において、半導体発光装置2aが代表として示されているが、これを半導体発光装置2b〜2fのいずれかに置換することが可能である。
図12(a)は本発明の実施例7に係る半導体発光素子1aの構造を示す平面図、図12(b)は、図12(a)における12b−12b線に沿った断面図である。半導体発光素子1aは、発光動作時における電流密度分布および輝度分布が均一となるように電極配置等が定められている点において、上記各実施例に係る半導体発光素子1と異なる。発光動作時における電流密度分布および輝度分布の均一化を図った半導体発光素子においてもあらゆる投入電流量に対して電流密度分布および輝度分布の均一性を維持することは困難である。従って、意図的に電流密度分布および輝度分布を不均一とした上記実施例1〜6に倣った対処が必要となる。
上記した構成を有する半導体発光装置2gの製造方法について図13(a)〜(e)を参照しつつ以下に説明する。
図14(a)は本発明の実施例8に係る半導体発光素子1bの構造を示す平面図である。半導体発光素子1bは、上記した実施例7に係る半導体発光素子1aと同様、発光動作時における電流密度分布および輝度分布が均一となるように電極配置等が定められた横型構造の発光素子である。
図16(a)は本発明の実施例9に係る半導体発光素子1dの構造を示す平面図である。半導体発光素子1dは、上記した実施例8に係る半導体発光素子1bと同様の電極構成を有する。従って、p電極のパッド部20a周辺の領域A1や、p電極の配線部20bの先端部近傍の領域A2において電流集中が生じやすい。
上記した構成を有する半導体発光装置2hの製造方法について図17(a)および(b)を参照しつつ以下に説明する。尚、n電極およびp電極を形成する工程までは、上記した半導体発光装置2gの製造方法(図13参照)と同様であるので説明は省略する。
2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h 半導体発光装置
10 支持基板
20 p電極
30 半導体膜
40 n電極
60、60a、60b、60c、60s、60l 波長変換層
70、71 絶縁膜
80 凸状構造体
101、102、103 車両用灯具
210 リフレクタ
220 シェード
230 投影レンズ
Claims (11)
- 電流注入によって発光する発光層を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子の発光面上に設けられた蛍光体を含有する波長変換層と、を含み、前記半導体発光素子から発せられ前記波長変換層によって波長変換された光と、前記波長変換層を透過した光を混合した混合光を光取り出し面から出射する半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子は、発光動作時における前記発光層内の電流密度に不均一性を有し、
前記波長変換層は、発光動作時における前記発光層内の電流密度の不均一性に起因する前記光取り出し面内における前記混合光の色度差を減じるように、前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に高い領域を覆う部分と電流密度が相対的に低い領域を覆う部分とで異なる波長変換特性を有することを特徴とする半導体発光装置。 - 前記波長変換層は、前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に高い領域を覆う第1の部分と、前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に低い領域を覆う第2の部分を有し、
前記第1の部分に含有される蛍光体の発光時のドミナント波長は、前記第2の部分に含有される蛍光体の発光時のドミナント波長よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。 - 前記第1の部分に含有される蛍光体の濃度は、前記第2の部分に含有される蛍光体の濃度よりも高いことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の部分の層厚は、前記第2の部分の層厚よりも大であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の部分は、ドミナント波長が互いに異なる蛍光体を含む複数の層が積層されて構成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換層は、前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に高い領域を覆う部分の層厚が前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に低い領域を覆う部分の層厚よりも大となる層厚分布を有す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、前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に高い領域を覆う部分の蛍光体の濃度が前記半導体発光素子の発光動作時の電流密度が相対的に低い領域を覆う部分の蛍光体の濃度よりも大となる蛍光体濃度分布を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子は、発光動作時の電流密度が相対的に高い領域内に前記発光面から突出した凸状構造体を有し、
前記波長変換層は、前記凸状構造体を覆っていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子は、前記発光面上を覆い且つ発光動作時の電流密度が相対的に高い領域内に開口部を有する絶縁膜を有し、
前記波長変換層は前記開口部を充填するように前記絶縁膜を覆っていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子は、その端部において電流密度および輝度のピークが生じるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 請求項1乃至10のいずれか1つに記載の半導体発光装置を光源として備えた車両用灯具であって、
前記半導体発光装置からの光を照射方向に向けて投影して照射面上に投影像を形成する光学系を有し、
前記半導体発光装置は、前記半導体発光素子の発光動作時における電流密度分布に応じた輝度分布を有し、
前記光学系は、前記半導体発光装置の輝度のピーク部分に対応する像部分がカットオフラインに沿って伸長するように前記投影像を形成することを特徴とする車両用灯具。
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