JP2015056650A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】実施形態は、複数の発光体の上に配置された蛍光体層の相互干渉を抑制した発光装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る発光装置は、樹脂層と、前記樹脂層の上に配置された複数の発光体であって、それぞれが前記樹脂層に接する側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有する複数の発光体と、前記第１の面側において前記複数の発光体のうちの隣り合う２つの発光体を電気的に直列または並列に接続する配線であって、少なくともその一部が前記樹脂層中に設けられた配線と、前記複数の発光体のそれぞれの第２の面上に設けられ、相互に隔離された複数の蛍光体層と、を備える。【選択図】図１
Description
実施形態は、発光装置に関する。
発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）などの発光体と、蛍光体と、を組み合わせた発光装置の開発が進められている。これらの発光装置を高出力化、高効率化するためには、例えば、複数の発光体をモジュール化することが有効ある。そして、複数の発光体をウェーハレベルで集積化し、１チップモジュールとして構成することにより、小型化、低コスト化を実現できる。しかしながら、複数の発光体をチップレベルで集積化すると、各発光体の上に配置された蛍光体の相互の干渉により光取り出し効率が低下する場合がある。
実施形態は、複数の発光体の上に配置された蛍光体層の相互干渉を抑制した発光装置を提供する。
実施形態に係る発光装置は、樹脂層と、前記樹脂層の上に配置された複数の発光体であって、それぞれが前記樹脂層に接する側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有する複数の発光体と、前記第１の面側において前記複数の発光体のうちの隣り合う２つの発光体を電気的に直列または並列に接続する配線であって、少なくともその一部が前記樹脂層中に設けられた配線と、前記複数の発光体のそれぞれの第２の面上に設けられ、相互に隔離された複数の蛍光体層と、を備える。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
図１は、実施形態に係る発光装置１を表す模式図である。図１（ａ）は、発光装置１の発光面側を表す上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１（ｃ）は、発光装置１の回路構成を表す模式図である。
発光装置１は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３０と、を備える。
発光体１５は、例えば、ＬＥＤであり、樹脂層１０に接した側の第１の面１５ａと、第１の面１５ａとは反対側の第２の面１５ｂと、を有する。発光体１５は、例えば、ｎ形半導体層１１と、ｐ形半導体層１２と、ｎ形半導体層１１およびｐ形半導体層１２の間に設けられた発光層１３と、を含む積層体である（図２参照）。
図１（ｂ）に表すように、配線２０は、発光体１５の第１の面側において、隣り合う２つの発光体１５を電気的に接続する。発光体１５は、図１（ｃ）に表すように、配線２０を介して直列に接続されても良いし、並列に接続されても良い。
また、配線２０は、少なくともその一部が樹脂層１０の中に設けられる。図１（ｂ）に表す例では、配線２０の発光体１５に接続する部分が樹脂層中に設けられ、隣り合う発光体１５の間に延在する部分は、樹脂層１０の発光体１５に接する面とは反対側の面（以下、裏面）に設けられる。実施形態は、この例に限定される訳ではなく、例えば、配線２０の全体が樹脂層１０の中に設けられても良い。
一方、発光体１５の第２の面１５ｂの側には、蛍光体層３０が設けられる。蛍光体層３０は、例えば、発光体１５の放射する光により励起され、その波長とは異なる光を放射する蛍光体３１を含む。すなわち、蛍光体層３０は、波長変換機能を有する。また、蛍光体層３０の代わりに、シリコーン樹脂等を主成分とする透明樹脂層を発光体１５の第２の面１５ｂ上に設け、発光体１５から放射される光をそのまま取り出す構造とすることもできる。
蛍光体層３０は、複数の発光体１５のそれぞれに設けられる。そして、蛍光体層３０は、樹脂層１０の上において、相互に隔離された状態に配置される。例えば、図１（ａ）に表すように、マトリックス状に配置することができる。
図７は、比較例に係る発光装置７を表す模式断面図である。発光装置７は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層５０と、を備える。図７に表すように、蛍光体層５０は、発光体１５の第２の面１５ｂを覆うように、樹脂層１０の上に連続して設けられる。
発光装置７では、配線２０を介して発光体１５に駆動電流を供給し、それぞれを発光させる。発光体１５から放射される光は、蛍光体層３０を通過して外部に放出される。この過程において、蛍光体層３０に含まれる蛍光体３１は、発光体１５の放射光の一部を吸収し、発光体１５とは波長の異なる光を放射する。これにより、発光装置７は、発光体１５の放射光と、蛍光体３１の放射光と、を混合した光を出力することができる。そして、蛍光体３１の種類を適宜選択することにより、様々な色の光を出力させることができる。
一方、蛍光体３１における波長変換の過程は、光エネルギーの損失を伴う。例えば、図７に示すように、蛍光体層５０を連続的に形成した場合、蛍光体層中を横方向に伝播する光の光路長が長くなりその減衰が大きくなる。さらに、隣り合う発光体１５の間の樹脂層１０の上に設けられた蛍光体層５０の領域Ｂでは、励起光のパワーが低下する。このため、蛍光体３１の吸収によるエネルギー損失が相対的に大きくなる。結果として、蛍光体層５０からの光取り出し効率の低下につながる。
これに対し、実施形態では、それぞれの発光体１５の上に蛍光体層３０を相互に隔離して設ける。これにより、蛍光体層中を横方向に伝播する光の光路長を短くすることができる。さらに、発光体１５が配置されない部分に蛍光体３１が存在しないため、その吸収損出を低減することができる。これにより、発光装置１では、蛍光体層３０からの光取り出し効率を向上させることができる。
次に、図２〜図４を参照して、発光装置１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る発光装置１の製造過程の一例を表す模式断面図である。
図２（ａ）は、基板１００の主面上に形成されたｎ形半導体層１１、ｐ形半導体層１２および発光層１３を表す断面図である。例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法を用いて、基板１００の上にｎ形半導体層１１、発光層１３およびｐ形半導体層１２を順に成長させる。基板は、例えば、シリコン基板である。ｎ形半導体層１１、発光層１３およびｐ形半導体層１２は、例えば、窒化物半導体であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、ｐ形半導体層１２および発光層１３を選択的にエッチングし、ｎ形半導体層１１を露出させる。ｐ形半導体層１２および発光層１３は、島状にパターニングされ、基板１００の上に複数の発光領域が形成される。
続いて、図２（ｃ）に表すように、ｎ形半導体層１１を選択的に除去し、基板１００の上に複数の発光体１５を形成する。
例えば、ｐ形半導体層１２および発光層１３を覆うエッチングマスク（図示しない）をｎ形半導体層１１の上に設ける。続いて、ＲＩＥ法を用いてｎ形半導体層１１をエッチングし、基板１００に至る深さの溝８０を形成する。これにより、例えば、図１（ａ）に表すように、マトリックス状に配置された複数の発光体１５を基板１００の上に形成することができる。発光体１５は、例えば、ｎ形半導体層１１と、ｐ形半導体層１２と、その間に設けられた発光層１３を含む積層体である。
次に、図３（ａ）に表すように、発光体１５の第２の面１５ａの側に、ｐ電極１６とｎ電極１７とを形成する。ｐ電極１６は、ｐ形半導体層１２の上に形成する。ｎ電極１７は、ｎ形半導体層１１の上に形成する。
ｐ電極１６およびｎ電極１７は、例えば、スパッタ法、蒸着法等を用いて形成する。ｐ電極１６とｎ電極１７は、どちらを先に形成してもよいし、同じ材料で同時に形成してもよい。ｐ電極１６は、例えば、発光層１３の放射光を反射するように形成することが好ましい。ｐ電極１６は、例えば、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を含む。また、ｐ電極１６の硫化、酸化防止のため、金属保護膜（バリアメタル）を含む構成であってもよい。
次に、図３（ｂ）に表すように、発光体１５および基板１００を覆う絶縁膜１８を形成する。絶縁膜１８には、ｐ電極１６に連通する開口、および、ｎ電極１７に連通する開口、が形成される。絶縁膜１８は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であり、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。
続いて、絶縁膜１８の上に、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２を形成する。ｐ側配線層２１は、絶縁膜１８に設けられた開口を介してｐ電極１６に電気的に接続される。また、ｎ側配線層２２は、絶縁膜１８に設けられた開口を介してｎ電極１７に電気的に接続される。さらに、ｐ側配線層２１の上にｐ側ピラー２３を形成し、ｎ側配線層２２の上にｎ側ピラー２４を形成する。ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側ピラー２３およびｎ側ピラー２４は、例えば、銅を主成分とする金属であり、電界メッキ法を用いて形成することができる。
ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２は、各ピラーを形成するために、ｐ電極１６とｎ電極１７の面積比を変換する。
例えば、発光体１５の光出力を大きくするために、発光層１３の面積を大きくすることが望ましい。したがって、発光層１３の上に形成されるｐ形半導体層１２の面積は、ｎ電極１７が設けられるｎ形半導体層１１の露出部よりも広い。そして、発光層１３に注入される電流を均一にするために、ｐ電極１６は、ｐ形半導体層１２の表面全体を覆うように形成される。このため、ｐ電極１６は、ｎ電極１７よりも広く形成される。
一方、ｐ電極１６およびｎ電極１７につながる配線を形成するためには、ｐ電極１６とｎ電極１７の面積比が１に近い方が好ましい。そこで、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２を設けることにより、ｐ電極１６とｎ電極１７の面積比を変換する。これにより、配線２０の一部であるｐ側ピラー２３およびｎ側ピラー２４の形成を容易にする。
次に、図３（ｃ）に表すように、ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側ピラー２３、ｎ側ピラー２４、発光体１５および絶縁膜１８を覆う樹脂層１０を形成する。
樹脂層１０は、例えば、カーボンブラックを含有し、発光体１５の放射光を遮光する。また、樹脂層１０は、例えば、酸化チタンなど、発光体１５の放射光を反射する部材を含有しても良い。
次に、発光体１５の第２の面１５ｂの側の処理を行う。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図３（ｃ）の上下を逆にした断面図である。
図４（ａ）に表すように、発光体１５から基板１００を除去する。例えば、基板１００にシリコン基板を用いる場合、ウェットエッチングにより選択的に除去することができる。基板１００を除去した後の発光体１５の表面（第２の面１５ｂ）には、微細な凹凸を形成することが好ましい。これにより、発光体１５から蛍光体層３０への光の取り出し効率を向上させることができる。
次に、図４（ｂ）に表すように、発光体１５の第２の面１５ｂの上に蛍光体層３０をそれぞれ形成する。蛍光体層３０は、例えば、発光体１５および樹脂層１０の上に連続した層として形成する。その後、隣り合う発光体１５の間に溝３３を形成し、複数の蛍光体層３０に分離する。溝３３は、絶縁膜１８に連通するように形成される。
次に、樹脂層１０の裏面側を研削し、ｐ側ピラー２３およびｎ側ピラー２４の端面を露出させる。
続いて、図４（ｃ）に表すように、樹脂層１０の裏面に、隣り合う発光体１５のｐ側ピラー２３とｎ側ピラー２４とを電気的に接続する配線２５を形成する。すなわち、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０は、例えば、ｐ側ピラー２３と、ｎ側ピラー２４と、配線２５と、を含む。
続いて、隣り合う発光体１５の間において、絶縁膜１８および樹脂層１０を切断し、図１に表す発光装置１に個片化する。
上記の過程を通して製造される発光装置１は、複数の発光体１５を樹脂封止した１チップモジュールであり、複数の発光体１５を電気的に接続した配線を含む。このような構成の発光装置１は、大幅な小型化、低価格化を実現する。
次に、図５および図６を参照して、実施形態の変形例に係る発光装置を説明する。図５（ａ）〜図６（ｂ）は、実施形態の変形例に係る発光装置２〜６を表す模式断面図である。
図５（ａ）は、発光装置２を表す断面図である。発光装置２は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３５と、を備える。蛍光体層３５は、蛍光体３１を含む。
蛍光体層３５は、発光体１５に接する面よりも発光体１５とは反対側の面（上面３５ｂ）が狭い形状を有する。すなわち、蛍光体層３５は、内向きに傾いた側面３５ｃを有する。
例えば、発光体１５のサイズに分断した蛍光体層では、その上面だけでなく側面からの発光もランバーシアンであり光出力に寄与する。この例では、蛍光体層３５の端部をテーパ状に加工することにより、その側面３５ｃから放出される光の配光角を上方にシフトさせる。これにより、隣接する別の蛍光体層３５による吸収を抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。
図５（ｂ）は、発光装置３を表す断面図である。発光装置３は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、蛍光体３１を含む。
さらに、蛍光体層３０は、発光体１５の第２の面１５ｂに平行な面に交差する側面３０ｃと、側面３０ｃの上に設けられた反射材４１と、を有する。反射材４１は、発光体１５の放射光、および、蛍光体３１の放射光を反射する。
発光装置３では、蛍光体層３０の側面３０ｃから出る光を反射材４１に反射させ、上方に取り出す。反射材４１は、例えば、誘電体多層膜である。また、反射材４１として、例えば、アルミニウムや銀などの高反射率を有する金属を用いても良い。反射材４１により蛍光体層３０の側面３０ｃに向かって伝播する光は、反射材４１により上方に反射され、蛍光体層３０の上面３０ｂから放出される。これにより、発光装置３の発光効率を向上させることが可能である。
図５（ｃ）は、発光装置４を表す断面図である。発光装置４は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、蛍光体３１を含む。
さらに、隣り合う２つの発光体１５の上にそれぞれ設けられた蛍光体層３０の間に、２つの発光体１５の放射光をそれぞれ反射する反射体４３を備える。反射体４３は、複数の蛍光体層３０をそれぞれ囲むように延在する。
反射体４３は、例えば、アルミニウムや銀などの高反射率を有する金属、または、多層誘電体膜を用いて形成される。反射体４３は、蛍光体層３０から放出される光を上方に反射するように、テーパ状に形成することが好ましい。これにより、隣接する別の蛍光体層３０による吸収を抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。
図６（ａ）は、発光装置５を表す断面図である。発光装置５は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、蛍光体３１を含む。
さらに、隣り合う２つの発光体１５の上にそれぞれ設けられた蛍光体層３０の間に設けられた樹脂体４５を備える。樹脂体４５は、２つの発光体１５の放射光、および、蛍光体３１の放射光を散乱する散乱材４７を含む。
樹脂体４５は、例えば、蛍光体層３０を分断する溝３３の内部に充填される。散乱材４７は、例えば、シリカ粒子であり、発光体１５および蛍光体３１の放射光を多方向に散乱させる。これにより、蛍光体層３０の上面３０ｂから放出される光の割合を増加させ、発光効率を向上させることができる。
図６（ｂ）は、発光装置６を表す断面図である。発光装置６は、樹脂層１０と、樹脂層１０の上に配置された複数の発光体１５と、隣り合う発光体１５の間を電気的に接続する配線２０と、発光体１５の上に設けられた蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、蛍光体３１を含む。
さらに、複数の蛍光体層３０のそれぞれの上に設けられたレンズ５１を備える。レンズ５１は、例えば、シリコーンなどの透明樹脂を蛍光体層３０の上に成形することにより形成する。発光体１５および蛍光体３１の放射光をレンズによって集光し、隣接する蛍光体層３０の吸収を低減し、光取り出し効率を向上させることが可能である。
このように、実施形態では、発光体１５の上にそれぞれ設けられた蛍光体層の間に、隙間や反射材などを配置する。これにより、隣接する蛍光体層による発光体１５の放射光の吸収を抑制し、複数の発光体１５を含む発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。また、発光装置６に用いたレンズ５１は、発光装置２〜５の蛍光体層の上に形成しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１〜７・・・発光装置、 １０・・・樹脂層、 １１・・・ｎ形半導体層、 １２・・・ｐ形半導体層、 １３・・・発光層、 １５・・・発光体、 １５ａ・・・第１の面、 １５ｂ・・・第２の面、 １６・・・ｐ電極、 １７・・・ｎ電極、 １８・・・絶縁膜、 ２０、２５・・・配線、 ２１・・・ｐ側配線層、 ２２・・・ｎ側配線層、 ２３・・・ｐ側ピラー、 ２４・・・ｎ側ピラー、 ３０、３５、５０・・・蛍光体層、 ３０ｂ、３５ｂ・・・蛍光体層の上面、 ３０ｃ、３５ｃ・・・蛍光体層の側面、 ３１・・・蛍光体、 ３３、８０・・・溝、 ４１・・・反射材、 ４３・・・反射体、 ４５・・・樹脂体、 ４７・・・散乱材、 ５１・・・レンズ、 １００・・・基板
Claims (6)
- 樹脂層と、
前記樹脂層の上に配置された複数の発光体であって、それぞれが前記樹脂層に接する側の第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有する複数の発光体と、
前記第１の面側において前記複数の発光体のうちの隣り合う２つの発光体を電気的に直列または並列に接続する配線であって、少なくともその一部が前記樹脂層中に設けられた配線と、
前記複数の発光体のそれぞれの第２の面上に設けられ、相互に隔離された複数の蛍光体層と、
を備えた発光装置。 - 前記蛍光体層は、前記発光体に接する面よりも前記発光体とは反対側の面が狭い形状を有する請求項１記載の発光装置。
- 前記複数の発光体のうちの隣り合う２つの発光体の上にそれぞれ設けられた蛍光体層の間に、前記２つの発光体の放射光を反射する反射体をさらに備えた請求項１または２に記載の発光装置。
- 前記複数の発光体のうちの隣り合う２つの発光体の上にそれぞれ設けられた蛍光体層の間に設けられ、前記２つの発光体の放射光を散乱する部材を含む樹脂体をさらに備えた請求項１または２に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、前記第２の面に平行な面に交差する側面と、前記側面上に設けられ前記発光体の放射光を反射する部材と、を有する請求項１記載の発光装置。
- 前記複数の蛍光体層のそれぞれの上に設けられたレンズをさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光装置。
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