JP2015111738A - 発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および灯具ユニット - Google Patents

発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および灯具ユニット Download PDF

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Abstract

【課題】形態の自由度を確保しつつ均一な色を発する発光モジュールを提供する。
【解決手段】発光モジュールにおいて、光波長変換部材60は板状に形成され、青色光を波長変換して黄色光として出射する。バッファ層82は透光性を有し、光波長変換部材60上に形成される。半導体層84は、バッファ層82上に結晶成長し、電圧が印加されることにより青色光を発するよう設けられる。第1電極64は、バッファ層82の上面に形成される。第2電極66は、半導体層84の上面に形成される。バッファ層82は、導電性材料によって形成され、発光のための電圧を半導体層84に印加可能に設けられる。
【選択図】図4

Description

本発明は、発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および発光モジュールを備える灯具ユニットに関し、特に、ある波長範囲の光を波長変換して出射する光波長変換部材を有する発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および発光モジュールを備える灯具ユニットに関する。
近年、LED(Light Emitting Diode)などの発光素子を用いて例えば白色光を発する発光モジュールを得るため、蛍光体材料を用いる技術が盛んに開発されている。例えば、青色光を発するLEDに、青色光によって励起され黄色光を発する蛍光体材料を取り付けることにより、白色光を得ることが可能である。ここで、例えば発光層によって放出された光の経路内に配置されたセラミック層を備える構造体が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−5367号公報
例えば、上述の特許文献では、セラミック層など予め板状にされている蛍光体材料を発光層に取り付ける方法として、接着などが提案されている。しかしながら、接着層は発光層からの光を受けて劣化する可能性がある。また、接着層にはボイドが生じる場合があり、このボイドの存在によって光の取り出し効率が低下するおそれがある。また、屈折率が比較的低い接着層を設けることによっても、光の取り出し効率が低下するおそれがある。また、接着層の光透過率は100%より低いため、接着層を透過するときにも光の取り出し効率が低下するおそれがある。さらに、成長基板上に半導体層を結晶成長させる工程とは別に接着工程が必要となる。これに加えて、セラミック層など予め板状にされている蛍光体材料の他に、結晶成長用のサファイヤ、SiC等の高価な基板が必要となる。
また、上述の特許文献において、セラミック層の上にIII族窒化物核生成層を低温で直接堆積させ、さらにその上にGaN(窒化ガリウム)によるバッファ層を高温で堆積させる技術が提案されている。上述の特許文献によれば、多数の低温中間層をGaNバッファ層との間に挿入することにより、格子不整合による弊害を是正することが可能としている。しかしながら、発光層を成長させる前にこのように多数の層をセラミック層に堆積させるためには多くの工程を経なければならず、発光モジュール製造時の生産性向上の点で改善の余地がある。
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光波長変換部材と半導体層とを組み合わせた発光モジュールの製造工程を簡略化させることにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、光波長変換部材上に結晶成長し、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、を備える。
この態様によれば、半導体層に光波長変換部材を接着する工程やバッファ層を設ける工程を削減することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。なお、半導体層は、ELO(epitaxial lateral overgrowth)法により結晶成長されてもよい。
本発明の別の態様もまた、発光モジュールである。この発光モジュールは、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、光波長変換部材上に形成された、透光性を有するバッファ層と、バッファ層上に結晶成長し、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、を備える。
この態様によれば、光波長変換部材とバッファ層との間に別の層を堆積させる工程を削除することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。なお、半導体層は、ELO法により結晶成長されてもよい。
本発明の上記態様の発光モジュールは、半導体層のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に双方が形成された、相互間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる一対の電極をさらに備えてもよい。
この態様によれば、一対の電極の双方を同じ方向に露出させることができるため、例えば一対の電極をサブマウントに対向させることにより、いわゆるフリップチップタイプの発光モジュールを簡易に製造することができる。
本発明の上記態様の発光モジュールは、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と同じ側の面に設けられた第1電極と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極と、をさらに備えてもよい。半導体層は、第1電極上に結晶成長してもよい。
この態様によれば、光波長変換部材に半導体層を結晶成長させる場合においても、いわゆる縦型チップタイプの発光モジュールを製造することができる。
バッファ層は、導電性材料によって形成され、発光のための電圧を半導体層に印加可能に設けられてもよい。この態様によれば、半導体層の両面のうちバッファ層との接合面や半導体層内に別途導電層を設けることなく半導体層に適切に電圧を印加することが可能となる。このため、バッファ層とは別に導電層を設ける場合に比べ、発光モジュールの製造工程を簡略化させることができる。
本発明の上記態様の発光モジュールは、バッファ層の両面のうち半導体層が結晶成長した面と同じ側の面に設けられた第1電極と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極と、をさらに備えてもよい。
この態様によれば、第1電極と第2電極との間に電圧を印加することで、バッファ層を通じて半導体層に適切に電圧を印加することができる。さらに、第1電極および第2電極の双方を同じ方向に露出させることができるため、例えば一対の電極をサブマウントに対向させることにより、いわゆるフリップチップタイプの発光モジュールを簡易に製造することができる。
バッファ層の両面のうち半導体層が結晶成長した面と反対側の面に設けられた第1電極と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極と、をさらに備えてもよい。バッファ層は、第1電極上に形成されてもよい。
この態様によれば、第1電極と第2電極との間に電圧を印加することで、縦型チップタイプの発光モジュールにおいても、バッファ層を通じて半導体層に適切に電圧を印加することができる。
バッファ層と光波長変換部材との間に設けられた透光性を有する電極をさらに備えてもよい。この態様によれば、この電極を用いて光波長変換部材に電圧を印加することが可能となる。このため、例えば導電性の高くないバッファ層を設ける場合においても、光波長変換部材に適切に電圧を印加することが可能となる。
本発明のさらに別の態様は、発光モジュールの製造方法である。この方法は、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材上に、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発する半導体層を結晶成長させる工程を備える。
この態様によれば、半導体層に光波長変換部材を接着する工程やバッファ層を設ける工程を削減することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。
本発明のさらに別の態様もまた、発光モジュールの製造方法である。この方法は、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材上に透光性を有するバッファ層を形成させる工程と、バッファ層上に、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発する半導体層を結晶成長させる工程と、を備える。
この態様によれば、光波長変換部材とバッファ層との間に別の層を堆積させる工程を削除することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。
半導体層のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、相互間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる一対の電極を形成させる工程をさらに備えてもよい。
この態様によれば、一対の電極の双方を同じ方向に露出させることができるため、例えば一対の電極をサブマウントに対向させることにより、いわゆるフリップチップタイプの発光モジュールを簡易に製造することができる。
波長変換部材に隣接するよう第1電極を設ける工程と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極を形成させる工程と、をさらに備えてもよい。半導体層を結晶成長させる工程は、第1電極上に半導体層を結晶成長させる工程を含んでもよい。
この態様によれば、光波長変換部材に半導体層を結晶成長させる場合においても、いわゆる縦型チップタイプの発光モジュールを製造することができる。
バッファ層は、導電性材料によって形成され、発光のための電圧を半導体層に印加可能に設けられてもよい。
この態様によれば、半導体層の両面のうちバッファ層との接合面や半導体層内に別途導電層を設けることなく半導体層に適切に電圧を印加することが可能となる。このため、バッファ層とは別に導電層を設ける場合に比べ、発光モジュールの製造工程を簡略化させることができる。
バッファ層の両面のうち半導体層が結晶成長した面と同じ側の面に第1電極を形成する工程と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極を形成させる工程と、をさらに備えてもよい。
この態様によれば、第1電極と第2電極との間に電圧を印加することで、バッファ層を通じて半導体層に適切に電圧を印加することができる。さらに、第1電極および第2電極の双方を同じ方向に露出させることができるため、例えば一対の電極をサブマウントに対向させることにより、いわゆるフリップチップタイプの発光モジュールを簡易に製造することができる。
光波長変換部材に隣接するよう第1電極を設ける工程と、半導体層の両面のうち光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、第1電極との間に電圧が印加されることにより半導体層を発光させる第2電極を形成させる工程と、をさらに備えてもよい。バッファ層を形成させる工程は、第1電極上にバッファ層を形成させる工程を含んでもよい。
この態様によれば、第1電極と第2電極との間に電圧を印加することで、縦型チップタイプの発光モジュールにおいても、バッファ層を通じて半導体層に適切に電圧を印加することができる。
バッファ層と光波長変換部材との間に透光性を有する電極を設ける工程をさらに備えてもよい。この態様によれば、この電極を用いて光波長変換部材に電圧を印加することが可能となる。このため、例えば導電性の高くないバッファ層を設ける場合においても、光波長変換部材に適切に電圧を印加することが可能となる。
本発明のさらに別の態様は、灯具ユニットである。この灯具ユニットは、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、光波長変換部材上に結晶成長し、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、を有する発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備える。
この態様によれば、製造工程を簡略化した発光モジュールを利用して灯具ユニットを製造することができる。このため、低コストの灯具ユニットを提供することが可能となる。
本発明のさらに別の態様もまた、灯具ユニットである。この灯具ユニットは、ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、光波長変換部材上に形成された、透光性を有するバッファ層と、バッファ層上に結晶成長し、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、を有する発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備える。
この態様によれば、製造工程を簡略化し且つより適切に半導体層を結晶成長させた発光モジュールを利用して灯具ユニットを製造することができる。このため、低コスト且つ品質の良い灯具ユニットを提供することが可能となる。
本発明によれば、光波長変換部材と半導体層とを組み合わせた発光モジュールの製造工程を簡略化させることができる。
第1の実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。 第1の実施形態に係る発光モジュール基板の構成を示す図である。 第1の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第2の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第3の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第4の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第5の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第6の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第7の実施形態に係る発光モジュール基板の構成を示す図である。 第7の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第8の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第9の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第10の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第11の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。 第12の実施形態に係る発光素子ユニットの断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態(以下、実施形態という)について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る車両用前照灯10の構成を示す断面図である。車両用前照灯10は、灯具ボディ12、前面カバー14、および灯具ユニット16を有する。以下、図1において左側を灯具前方、右側を灯具後方として説明する。また、灯具前方にみて右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図1は、灯具ユニット16の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯10を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯10が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯10が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図1は、左右いずれかの車両用前照灯10の構成を示している。
灯具ボディ12は開口を有する箱状に形成される。前面カバー14は透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成される。前面カバー14は、縁部が灯具ボディ12の開口部に取り付けられる。こうして、灯具ボディ12と前面カバー14とによって覆われる領域に灯室が形成される。
灯室内には、灯具ユニット16が配置される。灯具ユニット16は、エイミングスクリュー18によって灯具ボディ12に固定される。下方のエイミングスクリュー18はレベリングアクチュエータ20が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ20を作動させることで、灯具ユニット16の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。
灯具ユニット16は、投影レンズ30、支持部材32、リフレクタ34、ブラケット36、発光モジュール基板38、および放熱フィン42を有する。投影レンズ30は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材32は、投影レンズ30を支持する。発光モジュール基板38には発光モジュール40が設けられている。リフレクタ34は、発光モジュール40からの光を反射して、投影レンズ30の後方焦点面に光源像を形成する。このようにリフレクタ34および投影レンズ30は、発光モジュール40が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン42は、ブラケット36の後方側の面に取り付けられ、主に発光モジュール40が発した熱を放熱する。
支持部材32には、シェード32aが形成されている。車両用前照灯10はロービーム用光源として用いられ、シェード32aは、発光モジュール40から発せられリフレクタ34にて反射した光の一部を遮ることで、車両前方においてロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成する。ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。
図2は、第1の実施形態に係る発光モジュール基板38の構成を示す図である。発光モジュール基板38は、発光モジュール40、搭載基板44、および透明カバー46を有する。搭載基板44はプリント配線基板であり、上面に発光モジュール40が取り付けられる。発光モジュール40は、無色の透明カバー46によって覆われ、その内部空間に配置される。発光モジュール40は、発光素子ユニット54がAuバンプ56を介してサブマウント52に取り付けられ構成される。
図3は、第1の実施形態に係る発光素子ユニット54の断面図である。なお、発光素子ユニット54の製造工程の理解を容易にするため、図2とは上下逆向きに発光素子ユニット54を図示している。
発光素子ユニット54は、光波長変換部材60、半導体層62、第1電極64、および第2電極66を有する。光波長変換部材60は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるYAG(Yttrium Alminum Garnet)粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。こうして得られた光波長変換部材60は、青色光を波長変換して黄色光を出射する。光波長変換部材60は、板状に形成される。
また、光波長変換部材60は、透明に形成される。第1の実施形態において「透明」とは、変換波長域の光の全光線透過率が40%以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換波長域の光の全光線透過率が40%以上の透明な状態であれば、光波長変換部材60による光の波長を適切に変換できると共に、光波長変換部材60から出射される光の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換部材60をこのように透明な状態にすることによって、半導体層62が発する光をより効率的に変換することができる。
また、光波長変換部材60は有機系バインダーレスの無機物で構成され、有機系バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール40に1W(ワット)以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール40が発する光の輝度、光度、および光束を高めることが可能となっている。
半導体層62は、エピタキシャル成長法により光波長変換部材60上に結晶成長して形成される。半導体層62は、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる。具体的には、まずGaNにn型の不純物をドーピングして、半導体層を光波長変換部材60上に成長させる。これにより、光波長変換部材60上にn型半導体層を形成させる。次に、GaNにp型の不純物をドーピングして、半導体層をさらにその上に成長させる。なお、n型半導体層とp型半導体層との間に、量子井戸発光層が設けられてもよい。なお、エピタキシャル成長法には、ELO(epitaxial lateral overgrowth)法が用いられてもよい。
これらの半導体層の結晶成長は、MOCVD(有機金属気相成長法:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって行われる。なお、結晶成長法がこれに限られないことは勿論であり、MBE(分子線エピタキシー法:Molecular Beam Epitaxy)によって半導体層の結晶成長が行われてもよい。
この後、エッチングによりp型半導体層の一部を除去し、n型半導体層の上面の一部を露出させる。次に、露出したn型半導体層の上面に第1電極64を形成させ、p型半導体層の上面に第2電極66を形成させる。したがって、第1電極64はn型電極として機能し、第2電極66はp型電極として機能する。半導体層上への電極形成の方法は周知であるため説明を省略する。こうして第1電極64および第2電極66は、半導体層62のうち光波長変換部材60に結晶成長した面と反対側の面に双方が形成される。
最後にダイシングにより適切な大きさにカットされ、発光素子ユニット54が設けられる。第1の実施形態では、発光素子ユニット54は1mmの矩形にダイシングされる。このように形成された半導体層62は、電圧を印加することにより発光する半導体発光素子として機能する。第1の実施形態によれば、半導体層62に光波長変換部材60を接着する工程やバッファ層を設ける工程を削減することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。また、高価なサファイア基板やSiC基板が不要となり、コストも低減させることができる。
半導体層62は、第1電極64と第2電極66との間に電圧が印加されることによって青色光を主として発する。具体的には、半導体層62は、発する青色光の中心波長は470nmとなるよう設けられている。光波長変換部材60は、半導体層62が主として発する波長範囲の光を波長変換して出射し、半導体層62が発する光との合成光として白色光を出射する。なお、半導体層62は主として青色光以外の光を発するよう設けられてもよく、例えば主として紫外光を発するよう設けられてもよい。
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に係る発光素子ユニット80の断面図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯10および発光モジュール40の構成は第1の実施形態と同様である。以下、第1の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第2の実施形態に係る発光モジュール40の構成は、発光素子ユニット54に代えて発光素子ユニット80が設けられる以外は、第1の実施形態と同様である。発光素子ユニット80は、光波長変換部材60、バッファ層82、半導体層84、第1電極64、および第2電極66を有する。
光波長変換部材60は多結晶であるが、半導体層84は単結晶で結晶成長させる必要がある。このため、第2の実施形態では、光波長変換部材60の上面にバッファ層82が形成される。バッファ層82は、基材とその上に結晶成長させるべき半導体層との間で格子定数や熱膨張計数など互いに異なる場合に、半導体層を適切に結晶成長させるための緩和層として機能する。
バッファ層82は、スパッタリングにより光波長変換部材60の上面に薄膜形成される。なお、スパッタリングに代えて、真空蒸着や、CVD(化学蒸着法:Chemical Vapor Deposition)、または他の製膜方法が用いられてもよい。バッファ層82は、半導体層84が発する光の少なくとも一部を透過させる透光性を有する。さらにバッファ層82は、導電性材料によって形成される。第2の実施形態では、バッファ層82を形成する材料として、導電性を有する窒化ハフニウム(HfN)が採用されている。なお、バッファ層82を形成する材料はこれに限られず、例えばGaN、AlN(窒化アルミニウム)、ZnO(酸化亜鉛)SiC(炭化珪素)、ZrB2、または他の材料であってもよい。例えば、GaNやAINの無定型層(アモルファス)を低温形成し、これを昇温してバッファ層82を形成してもよい。
半導体層84は、バッファ層82上に結晶成長して形成される。このときの結晶成長方法は、第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。この後、エッチングによりp型半導体層およびn型半導体層の一部を除去し、バッファ層82の上面の一部を露出させる。次に、露出したバッファ層82の上面に第1電極64を形成させ、p型半導体層の上面に第2電極66を形成させる。最後にダイシングにより適切な大きさにカットされる点は第1の実施形態と同様である。
このように、発光素子ユニット80では、第1電極64は、バッファ層82の両面のうち半導体層84が結晶成長した面と同じ側の面、すなわちバッファ層82の上面に形成される。第2電極66は、半導体層84の両面のうち光波長変換部材60に結晶成長した面と反対側の面、すなわち半導体層84の上面に設けられる。第1電極64と第2電極66との間に電圧が印加されると、バッファ層82は、発光のための電圧を半導体層84に印加する。バッファ層82は、半導体層84に比べて導電率が高くなるよう設けられている。このようにバッファ層82を半導体層84下面の略全域にわたって設けることで、順方向電圧(Vf)の増加を抑制することができる。
半導体層84は、第1電極64と第2電極66との間に電圧が印加されることによって青色光を主として発する点は、第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。なお、半導体層84は主として青色光以外の光を発するよう設けられてもよく、例えば主として紫外光を発するよう設けられてもよい。
(第3の実施形態)
図5は、第3の実施形態に係る発光素子ユニット100の断面図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯10および発光モジュール40の構成は第1の実施形態と同様である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第3の実施形態に係る発光モジュール40の構成は、発光素子ユニット54に代えて発光素子ユニット100が設けられる以外は、第1の実施形態と同様である。発光素子ユニット100の構成は、バッファ層82に代えてバッファ層102が設けられる以外は、第1の実施形態に係る発光素子ユニット80と同様である。
第3の実施形態では、バッファ層82を形成する材料として、導電性を有する窒化ハフニウムが採用されている。窒化ハフニウムは導電性を有するが、膜厚が厚くなると透光性が低下することが発明者による研究開発の結果明らかになった。このため、バッファ層102は、バッファ層82よりも膜厚が大幅に薄くされている。このようにバッファ層102を薄膜とすることによって、導電性を確保しつつ透光性も持たせることができる。なお、バッファ層102を形成する材料が窒化ハフニウムに限られないことは勿論である。
(第4の実施形態)
図6は、第4の実施形態に係る発光素子ユニット120の断面図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯10および発光モジュール40の構成は第1の実施形態と同様である。また、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第4の実施形態に係る発光モジュール40の構成は、発光素子ユニット54に代えて発光素子ユニット120が設けられる以外は、第1の実施形態と同様である。発光素子ユニット120は、光波長変換部材60、バッファ層122、半導体層62、第1電極64および第2電極66を有する。バッファ層122は、上述のバッファ層82およびバッファ層102よりも導電性の低い材料によって形成される。このため、バッファ層122の上面に第1電極64を直接形成しても、バッファ層122を介して半導体層62に電圧が充分に印加されない可能性がある。
このため、第1電極64はバッファ層122の上面に形成されず、第1の実施形態と同様に、半導体層62のn型半導体層の上面に形成される。こうして第1電極64および第2電極66は、半導体層62のうちバッファ層122に結晶成長した面と反対側の面に双方が形成される。このように半導体層62に第1電極64および第2電極66を設けることにより、バッファ層122の導電性が比較的低い場合においても、半導体層62を適切に発光させることが可能となる。
バッファ層122がスパッタリングにより光波長変換部材60の上面に薄膜形成され、バッファ層122上に半導体層62がエピタキシャル法により結晶成長する点は、第2の実施形態と同様である。この後、エッチングによりp型半導体層の一部を除去し、n型半導体層の上面の一部を露出させる点、および第1電極64および第2電極66の形成個所は第1の実施形態と同様である。最後にダイシングにより適切な大きさにカットされる点も第1の実施形態と同様である。
(第5の実施形態)
図7は、第5の実施形態に係る発光素子ユニット140の断面図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯10および発光モジュール40の構成は第1の実施形態と同様である。また、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第5の実施形態に係る発光モジュール40の構成は、発光素子ユニット54に代えて発光素子ユニット140が設けられる以外は、第1の実施形態と同様である。発光素子ユニット140の構成は、バッファ層122に代えてバッファ層142が設けられる以外は、第4の実施形態に係る発光素子ユニット120と同様である。
第5の実施形態では、バッファ層142は、採用し得る他の材料と比較して導電性および透光性が低い材料によって形成される。例えば、バッファ層142は、窒化ハフニウムよりも導電性が低いが透光性が同様の材料によって形成されてもよい。このため、バッファ層142は、バッファ層122よりも膜厚が大幅に薄くされている。このようにバッファ層142を薄膜とすることによって、バッファ層142の透光性を高めることができる。
(第6の実施形態)
図8は、第6の実施形態に係る発光素子ユニット160の断面図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯10および発光モジュール40の構成は第1の実施形態と同様である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第6の実施形態に係る発光モジュール40の構成は、発光素子ユニット54に代えて発光素子ユニット160が設けられる以外は、第1の実施形態と同様である。発光素子ユニット160は、光波長変換部材60、透明電極162、バッファ層164、半導体層84、第1電極64、および第2電極66を有する。
第6の実施形態では、光波長変換部材60の上面にまず透明電極162が設けられる。透明電極162は、ITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)が採用されている。なお、ITOに代えて酸化亜鉛や酸化スズ、またはその他の材料が用いられてもよい。透明電極162は、光波長変換部材60の上面にスパッタリングによって成膜される。なお、スパッタリングに代えて真空蒸着法または他の成膜法が用いられてもよい。
バッファ層164は、透明電極162の上面に薄膜形成される。バッファ層164の成膜方法は上述と同様である。この後、エッチングによりp型半導体層およびn型半導体層の一部を除去し、バッファ層164の上面の一部を露出させる。次に、露出したバッファ層164の上面に第1電極64を形成させ、p型半導体層の上面に第2電極66を形成させる。こうして第1電極64は、バッファ層164の両面のうち半導体層84が結晶成長した面と同じ側の面、すなわちバッファ層164の上面に形成される。第2電極66は、半導体層84の両面のうち光波長変換部材60に結晶成長した面と反対側の面、すなわち半導体層84の上面に設けられる。
最後にダイシングにより適切な大きさにカットされる点は第1の実施形態と同様である。なお、p型半導体層、n型半導体層、およびバッファ層164の一部をエッチングにより除去し、透明電極162の上面を露出させてもよい。第1電極64は、この露出した透明電極162の上面に形成されてもよい。
バッファ層164は、例えば上述のバッファ層82やバッファ層102と同様の透光性を有するが、バッファ層82やバッファ層102より導電性の低い材料によって、第2の実施形態に係るバッファ層82や第3の実施形態に係るバッファ層102より大幅に薄く形成される。このため透明電極162は、バッファ層164と共に第2電極66との間で半導体層84に電圧を印加する機能を有する。このように透明電極162を設けることにより、半導体層84に適切に電圧を印加することができる。なお、バッファ層164は、採用し得る他の材料と比較して透光性の低い材料によって形成されてもよい。
(第7の実施形態)
図9は、第7の実施形態に係る発光モジュール基板170の構成を示す図である。以下、特に言及しない限り、車両用前照灯の構成は第1の実施形態と同様である。また、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第7の実施形態に係る車両用前照灯の構成は、発光モジュール基板38に代えて発光モジュール基板170が設けられる以外は、第1の実施形態に係る車両用前照灯10と同様である。発光モジュール基板170は、発光モジュール172、透明カバー46、および搭載基板44を有する。発光モジュール172は、サブマウント174、発光素子ユニット176、および導電性ワイヤ178を有する。発光モジュール172は、サブマウント174上面の一部に取り付けられ、さらに導電性ワイヤ178がボンディングされてサブマウント174上面の他の部分と接続される。導電性ワイヤ178には、Auワイヤ、アルミワイヤ、銅箔、またはアルミリボンワイヤが用いられてもよい。
図10は、第7の実施形態に係る発光素子ユニット176の断面図である。なお、発光素子ユニット176の製造工程の理解を容易にするため、図9とは上下逆向きに発光素子ユニット176を図示している。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
発光素子ユニット176は、光波長変換部材60、ビルトイン電極182、半導体層184、および電極186を有する。発光素子ユニット176では、光波長変換部材60に予めビルトイン電極182が組み込まれている。光波長変換部材60には貫通孔が設けられ、この貫通孔にビルトイン電極182が嵌挿される。このとき、ビルトイン電極182の上面と光波長変換部材60の上面とが略同一平面を形成するよう貫通孔にビルトイン電極182が嵌挿される。なお、ビルトイン電極182は、光波長変換部材60に隣接して配置されてもよい。
半導体層184は、光波長変換部材60の上に結晶成長して形成される。したがって、半導体層184は、ビルトイン電極182の上にも結晶成長して形成される。半導体層184の材質や結晶成長法は、例えば第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。このように半導体層184を光波長変換部材60の上面に直接結晶成長させることにより、半導体層184に光波長変換部材60を接着する工程やバッファ層を設ける工程を削減することができる。
半導体層184の結晶成長が完了すると、次に、半導体層184の両面のうち光波長変換部材60に結晶成長した面と反対側の面、すなわち半導体層184の上面に電極186を形成させる。ビルトイン電極182は、n型半導体層側に設けられるため、n型電極として機能する。電極186は、p型半導体層側に設けられるため、p型電極として機能する。こうして、ビルトイン電極182と電極186との間に電圧が印加されることにより、半導体層184を発光させることができる。
半導体層184は、ビルトイン電極182と電極186との間に電圧が印加されることによって青色光を主として発する点は、第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。なお、半導体層184は主として青色光以外の光を発するよう設けられてもよく、例えば主として紫外光を発するよう設けられてもよい。
(第8の実施形態)
図11は、第8の実施形態に係る発光素子ユニット200の断面図である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第8の実施形態に係る発光モジュールの構成は、発光素子ユニット176に代えて発光素子ユニット200が設けられる以外は、第7の実施形態に係る発光モジュール172と同様である。発光素子ユニット200は、光波長変換部材60、バッファ層202、半導体層184、ビルトイン電極182、および電極186を有する。バッファ層202は、光波長変換部材60上面に成膜される。したがって、バッファ層202は、ビルトイン電極182の上面にも成膜される。バッファ層202の材質や成膜法は、例えば第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。
半導体層184は、バッファ層202の上面に結晶成長して形成される。半導体層184の材質や結晶成長法は、例えば第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。このようにバッファ層202を設けることにより、多結晶である光波長変換部材60に適切に単結晶である半導体層184を結晶成長させることができる。最後にダイシングにより適切な大きさにカットされる点は第1の実施形態と同様である。
バッファ層202は、透光性を有する。さらにバッファ層202は、導電性材料によって形成される。第8の実施形態では、バッファ層202は、例えば第2の実施形態に係るバッファ層82と同様の材質によって形成される。このようにバッファ層202を導電性材料によって形成することによって、半導体層184の両面の略全域を使って半導体層184に電圧を印加することができる。このため、順方向電圧(Vf)の増加を抑制することができる。
(第9の実施形態)
図12は、第9の実施形態に係る発光素子ユニット220の断面図である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第9の実施形態に係る発光モジュールの構成は、発光素子ユニット176に代えて発光素子ユニット220が設けられる以外は、第7の実施形態に係る発光モジュール172と同様である。発光素子ユニット220の構成は、バッファ層202に代えてバッファ層222が設けられる以外は、第8の実施形態に係る発光素子ユニット200と同様である。
第9の実施形態では、バッファ層222を形成する材料として、導電性を有する窒化ハフニウムが採用されている。窒化ハフニウムは導電性を有するが、膜厚が厚くなると透光性が低下することが発明者による研究開発の結果明らかになった。このため、バッファ層222は、バッファ層202よりも膜厚が大幅に薄くされている。このようにバッファ層222を薄膜とすることによって、導電性を確保しつつ透光性も持たせることができる。なお、バッファ層222を形成する材料が窒化ハフニウムに限られないことは勿論である。
(第10の実施形態)
図13は、第10の実施形態に係る発光素子ユニット240の断面図である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第10の実施形態に係る発光モジュールの構成は、発光素子ユニット176に代えて発光素子ユニット240が設けられる以外は、第7の実施形態に係る発光モジュール172と同様である。発光素子ユニット240は、光波長変換部材60、バッファ層244、半導体層184、ビルトイン電極242、および電極186を有する。発光素子ユニット240では、光波長変換部材60に予めビルトイン電極182が組み込まれている。光波長変換部材60には貫通孔が設けられ、この貫通孔にビルトイン電極242が嵌挿される。このとき、ビルトイン電極242は、形成すべきバッファ層244の膜厚と略同一の突出量だけ光波長変換部材60の上面から突出するように貫通孔に嵌挿される。なお、ビルトイン電極182は、光波長変換部材60に隣接して配置されてもよい。
バッファ層244は、光波長変換部材60上面に成膜される。バッファ層244の材質や成膜法は、例えば第2の実施形態に係るバッファ層82と同様である。このとき、ビルトイン電極242の上面にバッファ層244が成膜しないよう。バッファ層244の成膜前にビルトイン電極242の上面には予めマスキングされ、バッファ層244の成膜後にマスキングが除去される。こうして、ビルトイン電極242は、バッファ層244の上面と略同一平面上においてその上面が露出する。
半導体層184は、バッファ層244の上面に結晶成長して形成される。したがって、半導体層184は、ビルトイン電極242の上面にも結晶成長して形成される。半導体層184の材質や結晶成長法は、例えば第1の実施形態に係る半導体層62と同様である。バッファ層244は、例えば第8の実施形態に係るバッファ層202よりも導電性が低い材料によって形成される。
ビルトイン電極242は単結晶ではないため、ビルトイン電極242の上方において半導体層184が適切に単結晶で成長せず、他の部分よりも充分に発光しない可能性もある。しかし、図13におけるビルトイン電極182の上方は、点灯時にはビルトイン電極182によって遮光される領域となる。このため、この部分の発光量が低くなってもその影響は少ない。
このようにビルトイン電極242およびバッファ層244を設けることによって、まず、適切に発光すべき部分はバッファ層244を介して半導体層184を適切に結晶成長させることができる。また、導電性が低い材料によってバッファ層244を形成する場合においても、発光量減少による影響が少ない部分はビルトイン電極242上に半導体層184を直接結晶成長させることにより、半導体層184に適切に電圧を印加することが可能となる。
(第11の実施形態)
図14は、第11の実施形態に係る発光素子ユニット260の断面図である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第11の実施形態に係る発光モジュールの構成は、発光素子ユニット176に代えて発光素子ユニット260が設けられる以外は、第7の実施形態に係る発光モジュール172と同様である。発光素子ユニット260の構成は、ビルトイン電極242に代えてビルトイン電極262が設けられ、バッファ層244に代えてバッファ層264が設けられる以外は、第10の実施形態に係る発光素子ユニット240と同様である。
第11の実施形態では、バッファ層264は、採用し得る他の材料と比較して導電性および透光性が低い材料によって形成される。例えば、バッファ層264は、窒化ハフニウムよりも導電性が低いが透光性が同様の材料によって形成されてもよい。このため、バッファ層264は、バッファ層122よりも膜厚が大幅に薄くされている。このようにバッファ層264を薄膜とすることによって、バッファ層264の透光性を高めることができる。
なお、ビルトイン電極262は、形成すべきバッファ層264の膜厚と略同一の突出量だけ光波長変換部材60の上面から突出するように光波長変換部材60の貫通孔に嵌挿される。こうして第11の実施形態においても、ビルトイン電極262は、バッファ層264の上面と略同一平面上においてその上面が露出するよう設けられる。
(第12の実施形態)
図15は、第12の実施形態に係る発光素子ユニット280の断面図である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
第12の実施形態に係る発光モジュールの構成は、発光素子ユニット176に代えて発光素子ユニット280が設けられる以外は、第7の実施形態に係る発光モジュール172と同様である。発光素子ユニット280は、光波長変換部材60、透明電極282、バッファ層284、半導体層184、ビルトイン電極182、および電極186を有する。第12の実施形態では、光波長変換部材60の上面にまず透明電極282が設けられる。透明電極282の材質および成膜方法は、上述の透明電極162と同様である。
バッファ層284は、透明電極282の上面に薄膜形成される。バッファ層284は、透光性を有する。一方、バッファ層284は、採用し得る他の材料と比較して導電性が低い材料によって形成される。例えば、バッファ層284は、窒化ハフニウムよりも導電性が低い材料によって形成されてもよい。バッファ層284の成膜方法は上述と同様である。なお、バッファ層284は、採用し得る他の材料と比較して透光性の低い材料によって形成されてもよい。
このように透明電極282を設けることによって、導電性が低い材料によってバッファ層284を形成した場合においても、透明電極282を介して半導体層184の略全域に電圧を印加することが可能となる。なお、最後にダイシングにより適切な大きさにカットされる点は第1の実施形態と同様である。
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態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形態も本発明の範囲に含まれうる。以下、そうした例をあげる。
ある変形例では、上述の各々の実施形態において、光波長変換部材に代えて、複数の板状の光波長変換部材が積層された積層体が設けられる。積層体に含まれる複数の光波長変換部材の各々は、ある波長範囲の光を波長変換して互いに異なる波長範囲の光を出射するよう設けられる。
例えば、半導体層は、電圧が印加されることにより紫外光を発するよう設けられる。積層帯には、半導体層から近い順に第1光波長変換部材、第2光波長変換部材、および第3光波長変換部材が積層されるよう設けられる。第1光波長変換部材は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して青色光を出射するよう設けられる。第2光波長変換部材は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して緑色光を出射するよう設けられる。第3光波長変換部材は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して赤色光を出射するよう設けられる。なお、第1〜第3光波長変換部材の積層順や積層数は上述した順番や積層数に限られないことは勿論である。また、半導体層の発する光が紫外光に限られず、第1〜第3光波長変換部材の各々の性質や形状も上述に限られないことは勿論である。
こうして、半導体層が出射した紫外光を、青色光、緑色光、および赤色光の合成光、すなわち白色光として出射する発光モジュールを提供することができる。また、波長変換の性質が互いに異なる複数の光波長変換部材を積層することにより、様々な色を出射させることができる。
ある別の変形例では、上述の各々の実施形態において、光波長変換部材は、板状に広がる方向に配置された複数の光波長変換部材の結合体として設けられる。例えば半導体層は、電圧が印加されることにより紫外光を発するよう設けられる。複数の光波長変換部材の各々は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して互いに異なる光を出射するよう設けられる。複数の光波長変換部材は、例えば上述の第1〜第3光波長変換部材を含んでいてもよい。これにより、合成光として白色光を発する発光モジュールを提供することができる。複数の光波長変換部材は、例えば各々が三角形、四角形、または六角形に形成され、板状に広がる方向へ略均一にモザイク状に配置されてもよい。なお、半導体層の発する光が紫外光に限られず、複数の光波長変換部材の各々の性質や形状も上述に限られないことは勿論である。
ある別の変形例では、上述の各々の実施形態において、光波長変換部材には、複数種類の光波長変換材料、すなわち蛍光材料が含まれていてもよい。例えば、半導体層は、電圧が印加されることにより紫外光を発するよう設けられる。光波長変換部材には、第1光波長変換材料、第2光波長変換材料、および第3光波長変換材料が含まれる。第1光波長変換材料は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して青色光を出射するよう設けられる。第2光波長変換材料は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して緑色光を出射するよう設けられる。第3光波長変換材料は、紫外光のうちある波長範囲の光を波長変換して赤色光を出射するよう設けられる。なお、半導体層の発する光が紫外光に限られず、第1〜第3光波長変換材料の各々の性質や形状も上述に限られないことは勿論である。
これによっても、半導体層が出射した紫外光を、青色光、緑色光、および赤色光の合成光、すなわち白色光として出射する発光モジュールを提供することができる。また、波長変換の性質が互いに異なる複数の光波長変換材料を含有させることにより、様々な色を出射させることができる。
10 車両用前照灯、 16 灯具ユニット、 30 投影レンズ、 34 リフレクタ、 40 発光モジュール、 54 発光素子ユニット、 60 光波長変換部材、 62 半導体層、 64 第1電極、 66 第2電極、 80 発光素子ユニット、 82 バッファ層、 84 半導体層。
本発明は、発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および発光モジュールを備える灯具ユニットに関し、特に、ある波長範囲の光を波長変換して出射する光波長変換部材を有する発光モジュール、発光モジュールの製造方法、および発光モジュールを備える灯具ユニットに利用可能である。

Claims (8)

  1. ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、
    前記光波長変換部材上に形成された透光性を有するバッファ層と、
    前記バッファ層上に結晶成長し、電圧が印加されることにより前記波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、
    前記バッファ層の両面のうち前記半導体層が結晶成長した面と反対側の面に設けられた第1電極と、
    前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、前記第1電極との間に電圧が印加されることにより前記半導体層を発光させる第2電極と、を備え、
    前記バッファ層は、
    導電性材料により前記第1電極上に形成されており、発光のための電圧を前記半導体層に印加可能に設けられており、
    前記第1電極は、前記光波長変換部材を貫通するように設けられていることを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記半導体層は、ELO(epitaxial lateral overgrowth)法により結晶成長されることを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール。
  3. 前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と同じ側の面に設けられた第1電極と、
    前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、前記第1電極との間に電圧が印加されることにより前記半導体層を発光させる第2電極と、をさらに備え、
    前記半導体層は、前記第1電極上に結晶成長することを特徴とする請求項1または2に記載の発光モジュール。
  4. 前記バッファ層と前記光波長変換部材との間に設けられた透光性を有する電極をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の発光モジュール。
  5. ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材上に、透光性を有するバッファ層を形成させる工程と、
    前記バッファ層上に、電圧が印加されることにより前記波長範囲の少なくとも一部を含む光を発する半導体層を結晶成長させる工程と、
    前記光波長変換部材に隣接するよう第1電極を設ける工程と、
    前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、前記第1電極との間に電圧が印加されることにより前記半導体層を発光させる第2電極を形成させる工程と、を備え、
    前記バッファ層を形成させる工程は、前記第1電極上にバッファ層を形成させる工程を含み、
    前記バッファ層は、導電性材料によって形成され、発光のための電圧を前記半導体層に印加可能に設けられており、
    前記第1電極は、前記光波長変換部材を貫通するように設けられていることを特徴とする発光モジュールの製造方法。
  6. 前記光波長変換部材に隣接するよう第1電極を設ける工程と、
    前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に、前記第1電極との間に電圧が印加されることにより前記半導体層を発光させる第2電極を形成させる工程と、をさらに備え、
    前記半導体層を結晶成長させる工程は、第1電極上に前記半導体層を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の発光モジュールの製造方法。
  7. 前記バッファ層と前記光波長変換部材との間に透光性を有する電極を設ける工程をさらに備えることを特徴とする請求項5または6に記載の発光モジュールの製造方法。
  8. ある波長範囲の光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、前記光波長変換部材上に形成された、透光性を有するバッファ層と、前記バッファ層上に結晶成長し、電圧が印加されることにより前記波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる半導体層と、前記バッファ層の両面のうち前記半導体層が結晶成長した面と反対側の面に設けられた第1電極と、前記半導体層の両面のうち前記光波長変換部材に結晶成長した面と反対側の面に設けられ、前記第1電極との間に電圧が印加されることにより前記半導体層を発光させる第2電極と、を有する発光モジュールと、
    前記発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備え、
    前記バッファ層は、
    導電性材料により前記第1電極上に形成されており、発光のための電圧を前記半導体層に印加可能に設けられており、
    前記第1電極は、前記光波長変換部材を貫通するように設けられていることを特徴とする灯具ユニット。
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