JP2014187224A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、半導体発光装置に関する。より詳しくは、半導体発光素子から発した光によって波長変換材料を励起し、波長変換光を放出させ、この波長変換光を利用する光源装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device. More specifically, the present invention relates to a light source device that excites a wavelength conversion material with light emitted from a semiconductor light emitting element, emits wavelength converted light, and uses the wavelength converted light.
従来、半導体レーザー光源と蛍光体とを組み合わせた構造の発光装置が提案されている。 Conventionally, a light emitting device having a structure in which a semiconductor laser light source and a phosphor are combined has been proposed.
例えば、特許文献1には、レーザ光源と、レーザ光によって励起され、発光する蛍光体と、蛍光体の励起光照射側に配置される透光性熱伝導部材と、透光性熱伝導部材と蛍光体との間を埋める間隙層とで構成された発光装置が記載されている。この装置においては、蛍光体がレーザ光によって励起され、発光する際に発する熱を透光性熱伝導部材に効率よく伝達できるよう、熱伝導性粒子が間隙層に含まれている。
For example,
本願発明の目的は、レーザ光源によって蛍光体を励起し、発光を得る発光装置において、より効率よく発光を得られる装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a device capable of obtaining light emission more efficiently in a light-emitting device that emits light by exciting a phosphor with a laser light source.
上記課題を解決のため、本願発明者は研究の末、以下の手段を発明するに至った。即ち、貫通孔を有する基台と、
前記貫通孔を塞ぐように前記基台上に配置された波長変換部と、
前記貫通孔を通じて前記波長変換部に光を照射する半導体発光素子と、を備え、
前記基台と前記波長変換部の間に、30〜100μmの厚さの透光層が形成されている半導体発光装置とすることである。
In order to solve the above problems, the present inventors have invented the following means after research. That is, a base having a through hole;
A wavelength converter disposed on the base so as to close the through hole;
A semiconductor light emitting element that irradiates light to the wavelength conversion unit through the through hole, and
A semiconductor light emitting device in which a light-transmitting layer having a thickness of 30 to 100 μm is formed between the base and the wavelength conversion unit.
本願発明によれば、発光光率の良い半導体発光装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor light-emitting device with a high light emission rate.
本願発明の課題を説明するため、まず図7に示す比較例から説明する。図7(A)は、本願発明に関連する発光装置の概観図、図7(B)は、図7(A)中の点線で囲んだ部分の拡大図である。この図において、波長変換部1は貫通孔6を有する基台2に、貫通孔6を塞ぐように配置されている。また、波長変換部1は、基台2に対して接着剤等(図示せず)で固定されている。この接着剤は、波長変換部1で発生する熱を有効に基台2に伝達するため、しばしば数μm〜十数μm程度の厚みに抑えられる。波長変換部1の外周は反射性樹脂4によって覆われ、波長変換部1内部を伝播し波長変換部1の外周に達する光を内部に戻す。また、反射性樹脂4は基台2の外周から上方へ延びる外壁3と波長変換部1との間を充填している。レーザダイオード5とレンズ15は、光軸を貫通孔6の中心に合わせてあり、電力を投入することによって波長変換部1の下面に照射される。ここで、波長変換部1は下層側の散乱層12と上層側の蛍光体層11とを積層して構成される。
In order to explain the problems of the present invention, a comparative example shown in FIG. 7 will be described first. FIG. 7A is a schematic view of a light emitting device related to the present invention, and FIG. 7B is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 7A. In this figure, the
レーザダイオード5から出射光7が貫通孔6を介して波長変換部1へ入射すると、出射光7は散乱層12に入射し、散乱層12の中を散乱、導波しながら蛍光体層11を照射する。蛍光体層11には出射光7によって励起され、蛍光を発する蛍光体が含まれているため、蛍光体層11は蛍光を発し、それらは波長変換部1の上面から外部に放出される。なお、出射光7の一部が蛍光体層11の蛍光体を励起せずにそのまま上面から放出され、蛍光と出射光の混合光が放出される場合もある。
When the emitted
ここで、レーザダイオード5から入射した出射光7は、その全てが散乱層12に入射するわけではなく、レーザダイオード5側へ反射される戻り光9も存在する。戻り光9の分だけ波長変換部1へ入射して蛍光体を励起する光が減少し、全体としての発光光率は低下する。この戻り光9の全入射光束に対する割合は40〜50%程度であることを本願発明者は発見した。そこで、本願発明者は、この戻り光9による効率低下を抑制する、との課題を発見し、これを解決する方法を得た。
Here, not all of the
次に、図1に本願発明の第一の実施形態の説明図を示す。この図において、波長変換部1は貫通孔6を有する基台2に、貫通孔6を塞ぐように配置されている。波長変換部1の外周は反射性樹脂4によって覆われ、波長変換部1内部を伝播し波長変換部1の外周に達する光を内部に戻す。また、反射性樹脂4は基台2の外周から上方へ延びる外壁3と波長変換部1との間を充填している。レーザダイオード5は、光軸を貫通孔6の中心に合わせてあり、電力を投入することによって波長変換部1の下面に照射される。ここで、波長変換部1は下層側の散乱層12と上層側の蛍光体層11とを積層して構成される。また、波長変換部1は透光層8を介して基台2に固定されている。
Next, FIG. 1 shows an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention. In this figure, the
レーザダイオード5から入射した出射光7は、その全てが散乱層12に入射しない点は、比較例と同様である。しかし、本願発明においては、散乱層12によってレーザダイオード5側へ反射される戻り光9の一部は、貫通孔6に面した端面から透光層8へ入射し、基台2による反射を介して再度波長変換部1に照射される。この結果、戻り光9をより効果的に蛍光体の励起に用いることができ、発光装置の効率向上の効果を得ることができる。
The
特に、透光層8へ入射した戻り光9は、透光層8中で導光によって隅々まで広がって波長変換部1に入射する。比較例においては、波長変換部1を蛍光体層12側から見ると、中央部分が一番明るく、散乱層12によっても入射した光を蛍光体層12に均一に励起していないことが分かるが、本発明では戻り光9の導光によって蛍光体層12がほぼ均一に励起され、結果として励起光の輝度ムラなどを改善できる。
In particular, the
波長変換部1は、レーザダイオード5からの光によって励起される蛍光体を含む蛍光体層11を有する。しかし、図1の通り、蛍光体層11に、更に散乱層12を含んでも良い。散乱層12によって、より効果的にレーザダイオード5からの光を散乱し、蛍光体層11全体に光を分配することができる。
The
蛍光体層11は、蛍光体を含む樹脂を板状に形成したもの、蛍光体を含むガラス又はセラミックを板状に成形し、焼結したもの、蛍光体自体を板状に成形し、焼結したもの等を利用しうる。樹脂を用いる場合には、耐光性の観点からシリコーン樹脂を用いることが望ましい。セラミックを用いる場合には、透光性である必要があることからアルミナ等が好適である。蛍光体自体を用いる場合には、Ceを所定の濃度に調整したYAG:Ce蛍光体の焼結体が望ましい。セラミック又は蛍光体自体の焼結体は、レーザダイオードからの光によって劣化する有機物を含まず、使用中の光度低下の恐れが少ないため、特に好ましい。
The
散乱層12は、例えば散乱材を含む樹脂を板状に形成したもの、散乱材を含むガラスを板状としたもの、セラミックを板状としたもの等を利用しうる。セラミックを用いる場合には、その材料中に入るポア(空孔)が入射した光を散乱させて蛍光体層11全体に広げることができる。散乱層12は、蛍光体層11とは接着剤等を介して接着される。
As the
レーザダイオード5は、所望の波長の光を出力として得るために、波長変換部1を励起しうる光源として適切なものを選択すればよい。黄色蛍光体を含む波長変換部1を励起して黄色蛍光を放出させ、レーザ光と合わせて白色光を出力として得るのであれば、青色発光レーザが望ましい。例えば、発光波長450nmのInGaN/GaN系レーザを利用しうる。
The
透光層8は、スペーサーとしての役割を持ち、透明ガラス、樹脂シート、印刷・スタンプによる高粘度の樹脂(1Pa・s以上、好ましくは5Pa・s以上)などを用いることができる。特に高粘度の樹脂を使用する際、透光層8を基台2の上に形成してから波長変換部1をその上から配置することになるが、波長変換部1からのプレス荷重を調整することでより高精度に高粘度樹脂の高さを制御することができる。樹脂を用いる場合、耐熱性や耐光性の観点からジメチル系シリコーン樹脂が好ましい。樹脂中には貫通孔に入射し散乱層12で後方散乱したレーザ光が透光層8に導波しやすくするためフィラーを混入させていない。しかし、光学散乱に寄与しない100nm以下の微粒子であれば入れても良い。なお、必ずしも樹脂等の物質で埋まっている必要はなく、空気層の隙間でもよい。
The light-transmitting
基台2は、波長変換部1から発生する熱を放出する他、透光層8を導光する光に対して反射損失が少ないものが望ましい。このため、熱伝導性に優れた銅の上面に反射率に優れたアルミニウムをコーティングしたもの等が好適に利用しうる。また、好ましくは、基台上面部を鏡面加工することにより反射率を向上させる。
It is desirable that the
反射性樹脂4は、例えばシリコーン樹脂にTiO2等の光反射性の高い樹脂を混合したものからなる。反射性樹脂4は、散乱層12や蛍光体層11を導波してその端面に至った光を反射し、再度散乱層12や蛍光体層11の内部へ戻す機能を有する。
The
図2に、本発明の第二の実施形態を示す。図2において、基本的な構成は図1と同様である。違いは、樹脂製の透光層8中に膜厚を保つためにビーズ13(スペーサ)を有していることである。ここで、ビーズ13は、球状かつ透光性である。また、熱伝導性が高いことがより望ましい。図2(B)は、本発光装置の波長変換部1の載置部分を蛍光体層11の側から見た図、図2(A)は点線部XX’で切断した断面図である。図2(B)において、ビーズ13が配置されている場所は、基台2に設けられた貫通孔6以外の場所であり、対応する配置場所を丸印で示している。ビーズ13は、3つ以上あれば透光層8の厚さを一定にすることができる。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the basic configuration is the same as in FIG. The difference is that the resin-made
波長変換部1を蛍光体層11の側から見た際の大きさは、レーザ光によってある程度均一に励起され、蛍光を発することができる程度に設定される。このため、波長変換部1の面積は800μm×400μm程度となる。従って、波長変換部1の下に形成される透光層8の面積は上記面積から貫通孔6の面積を引いた値になる。貫通孔6は、レーザ光のスポットサイズ次第ではあるが、φ200μm程度の円形である。ここで、ビーズ13の球径φ、即ち透光層8の厚さは30μmから100μm程度である。φ30μmのビーズを3つ用いる場合、波長変換部1の下に形成される透光層8の中に占めるビーズ13の面積の割合は、3×((30/2)2×π)/{(800×400)−(200/2)2×π}≒0.007、即ち1%にもならない。従って、φ30μmのビーズを3つ使うだけであれば、透光層8中の導光を妨げることがほとんどない。
The size of the
透光層8の中に配置されるビーズ13の個数(即ち、透光層におけるビーズの濃度)が大きくなるにつれて、透光層8とビーズ13との間の界面が増えていくことになり、これが透光層中の導光を妨げ始める。従って、導光の観点からビーズ13は最小限であることが望ましい。上記で計算例を示した透光層中にしめるビーズの面積の割合は、大きくとも20%以下とすべきである。
As the number of
ここで、第二の実施形態の変形例として、ビーズ13と透光層8との屈折率をほぼ一致させた物質同士の組み合わせとしてもよい。例えば、ジメチル系シリコーン樹脂の屈折率は1.41程度であり、他方でSiO2ビーズの屈折率も同程度である。また、フェニル系シリコーン樹脂の屈折率は1.5〜1.65であるため、アルミナ(n=1.58〜1.65)のような熱伝導性に優れた材料を選択できる。このような樹脂とビーズの材料同士の組み合わせであれば、透光層8中に占める面積の割合などを気にすることなくビーズ13を透光層8に含ませることができる。なお、ここで屈折率が同程度とは、2つの物質の屈折率差Δnが±0.05以内に収まることを言うものとする。
Here, as a modification of the second embodiment, a combination of substances in which the refractive indexes of the
図3に、本発明の第三の実施形態を示す。図3において、基本的な構成は図1、2と同様である。違いは、樹脂製の透光層8の膜厚を保つために凹部14を有していることである。凹部14は、波長変換部1の大きさに対してやや小さく、かつ、その底部に貫通孔6が形成されている。貫通孔部分を除く凹部14底面と波長変換部1との間には、透光層8が形成され、戻り光9が導光するようになっている。この構成は、凹部14の深さのみで透光層8の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. In FIG. 3, the basic configuration is the same as in FIGS. The difference is that the
図4に、本発明の第四の実施形態を示す。図4において、基本的な構成は図1〜3と同様である。違いは、樹脂製の透光層8の膜厚を保つために散乱層12の底部であって、上面視貫通孔6と重ならない部分に散乱層凸部16を有していることである。散乱層凸部16は、散乱層12の底部に3つ以上同じ高さで形成される。基台2と散乱層12との間には透光層8が形成され、波長変換部1と基台2との間を接着しつつ、戻り光9が導光する機能をも備える。この構成は、散乱層凸部16の高さのみで透光層8の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 4, the basic configuration is the same as in FIGS. The difference is that the scattering layer
図5に、本発明の第五の実施形態を示す。図5において、基本的な構成は図1〜4と同様である。違いは、樹脂製の透光層8の膜厚を保つために基台2の上面であって、上面視貫通孔と重ならない部分に基台2から飛び出して散乱層12底部に接触する基台凸部17を有していることである。基台凸部17は、散乱層12の底部に接するように3つ以上同じ高さで形成され、波長変換部1との間の距離を一定に保つ。基台2と散乱層12との間には透光層8が形成され、波長変換部1と基台2との間を接着しつつ、戻り光9が導光する機能をも備える。この構成は、基台凸部17の高さのみで透光層8の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 5, the basic configuration is the same as in FIGS. The difference is that the
図6に、本発明の実施において、透光層8の厚さに対して装置全体の光束がどの程度向上するか、その結果を示す。この図において、透光層厚み0μmとは、透光層を設けない比較例の値である。また、光束向上率とは、厚み0μmの比較例の場合の光束に対する向上した光束の比率を示す。
FIG. 6 shows how much the luminous flux of the entire apparatus is improved with respect to the thickness of the light-transmitting
透光層8は、貫通孔6に面した端面部分から戻り光9を取り込むため、透光層8が厚いほど、端面部分の面積が大きく、光束向上率も上昇を見込むことができる。一方で、透光層8が厚すぎると、透光層8を介して波長変換部1で生じた熱を逃がすことができないため、蛍光体層11の温度消光現象により発光光率が低下する。従って、発光装置の全体としての発光強度という観点から、透光層8の厚さには良好なバランスが取れる最適な範囲が存在する。
Since the
図6から、透光層8の厚さが30μmのとき、光束向上率は約7%である。概ね、この程度の厚さ以上であれば、効果があると考えられる。一方、放熱性の観点から、透光層8の厚さは透光層が樹脂の場合には100μm以下が妥当と考えられる。また、セラミック等の熱伝導率がより高い材料を透光層として用いる場合には、200μm程度であっても良い。
From FIG. 6, when the thickness of the
1 波長変換部
2 基台
3 外壁
4 反射性樹脂
5 レーザダイオード
6 貫通孔
7 出射光
8 透光層
9 戻り光
11 蛍光体層
12 散乱層
13 ビーズ
14 凹部
15 レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記貫通孔を塞ぐように前記基台上に配置された波長変換部と、
前記貫通孔を通じて前記波長変換部に光を照射する半導体発光素子と、を備え、
前記基台と前記波長変換部の間に、30μm以上の厚さの透光層が前記貫通孔に端面を露出するように形成されている半導体発光装置。 A base having a through hole;
A wavelength converter disposed on the base so as to close the through hole;
A semiconductor light emitting element that irradiates light to the wavelength conversion unit through the through hole, and
A semiconductor light-emitting device in which a light-transmitting layer having a thickness of 30 μm or more is formed between the base and the wavelength conversion unit so that an end face is exposed in the through hole.
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