JP2015119030A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高効率の発光装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、光出射部と、波長変換層と、第1波長選択層とを含む発光装置が提供される。前記光出射部は、第1ピーク波長を有する第1光を出射する。前記第1波長選択層は、前記波長変換層と前記光出射部との間に設けられ前記第1光に対して透過性を有する。前記波長変換層は、前記第1波長選択層を透過して前記波長選択層に入射した前記第1光の少なくとも一部を吸収して前記第1ピーク波長よりも長い第2ピーク波長を有する第2光を放出する。前記第1波長選択層の前記第2ピーク波長に対する反射率は、前記第1波長選択層の前記第1ピーク波長に対する反射率よりも高い。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、発光装置に関する。
例えば、半導体発光素子として、発光ダイオード(LED)がある。これらの半導体発光素子には、例えば、窒化物半導体が用いられる。半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置発光装置が、例えば、表示装置や照明などに用いられている。発光装置において、高効率化が求められている。
本発明の実施形態は、高効率の発光装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、光出射部と、波長変換層と、第1波長選択層とを含む発光装置が提供される。前記光出射部は、第1ピーク波長を有する第1光を出射する。前記第1波長選択層は、前記波長変換層と前記光出射部との間に設けられ前記第1光に対して透過性を有する。前記波長変換層は、前記第1波長選択層を透過して前記波長選択層に入射した前記第1光の少なくとも一部を吸収して前記第1ピーク波長よりも長い第2ピーク波長を有する第2光を放出する。前記第1波長選択層の前記第2ピーク波長に対する反射率は、前記第1波長選択層の前記第1ピーク波長に対する反射率よりも高い。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
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。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。
図1(a)に表したように、発光装置100は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、を含む。この例では、発光装置100は、さらに、基板40を含む。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。
図1(a)に表したように、発光装置100は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、を含む。この例では、発光装置100は、さらに、基板40を含む。
第1波長選択層30は、光出射部10と波長変換層20との間に設けられている。
光出射部10は、例えば、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である。例えば、光出射部10として、発光ダイオード(LED)が用いられる。この例では、光出射部10として、フリップチップ型のLEDが用いられている。
光出射部10は、例えば、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である。例えば、光出射部10として、発光ダイオード(LED)が用いられる。この例では、光出射部10として、フリップチップ型のLEDが用いられている。
第1波長選択層30と波長変換層20との間に基板40が設けられる。基板40は、光透過性である。基板40として、例えば、高い熱伝導を有するセラミックが用いられる。基板40として、例えば、サファイア基板が用いられる。
光出射部10から波長変換層20へ向かう方向をZ軸方向とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。X軸方向に対して垂直で、Z軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。
光出射部10には、例えば、第1導電形の第1半導体層11と、第2導電形の第2半導体層12と、発光層13と、が設けられる。例えば、第1導電形はn形であり、第2導電形はp形である。第1半導体層11には、第1半導体部分11aと、第2半導体部分11bと、が設けられる。第2半導体部分11bは、例えば、X軸方向において第1半導体部分11aと並ぶ。第2半導体層12と第1波長選択層30との間に第2半導体部分11bが配置される。第2半導体部分11bと第2半導体層12との間に発光層13が設けられる。
第1半導体層11は、第1主面11pと第2主面11qとを有する。第1主面11pは、例えば、発光層13側の面である。第2主面11qは、第1主面11pの反対側の面である。第2主面11qは、第1波長選択層30側の面である。
例えば、光出射部10には、第1電極11eと、第2電極12eと、が設けられる。第1半導体部分11aにおいて、第1主面11p側の第1半導体層11の一部が露出している。第1半導体層11の露出した部分が、第1電極11eと電気的に接続される。第2電極12eは、第2半導体層12と電気的に接続される。
第1半導体層11には、例えば、SiがドープされたGaNが用いられる。発光層13は、例えば、障壁層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造を有する。障壁層には例えばGaNが用いられ、井戸層には例えばInGaNが用いられる。第2半導体層12には例えばMgがドープされたGaNが用いられる。上記は一例であり、実施形態において光出射部10は、上記のLEDに限らない。光出射部10の構成や材料などは種々の変形が可能である。
光出射部10は、第1電極11e及び第2電極12eを介して発光層13に電流が供給され、光出射部10から第1光が放出される。第1光は、第1ピーク波長を有する。例えば、第1光のピーク波長(第1ピーク波長)は、500ナノメートル(nm)以下である。例えば、光出射部10には、青色LED、青紫色LED、紫色LED、または、紫外LEDなどが用いられる。例えば、青色LEDの発光波長(第1光の波長)は430nm〜475nmである。例えば、第1光のピーク波長は、450nmである。
波長変換層20には、例えば、波長変換粒子21と、波長変換粒子21が分散された樹脂22と、が設けられる。波長変換粒子21は、第1光の少なくとも一部を吸収して第2光を放出する。第2光は、第2ピーク波長を有する。
第2光の波長は、第1光の波長よりも長い。第2光の波長帯は、第1光の波長帯よりも長い。例えば、第2光の波長帯の一番短い波長は、第1光の波長帯の一番短い波長よりも長い。例えば、第2光の波長帯の一番長い波長は、第1光の波長帯の一番長い波長よりも長い。例えば、第2光の波長帯の一番短い波長は、第1光の波長帯の一番長い波長よりも長い。例えば、第2光のピーク波長(第2ピーク波長)は、第1光のピーク波長よりも長い。
波長変換粒子21には、例えば、蛍光体の微粒子や窒化物半導体の微粒子などを用いることができる。この窒化物半導体として、例えば、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)が用いられる。このような窒化物半導体は、上記のx及びyの値を変化させることで、放出される光の波長を変化させることができる。変換粒子21に用いられる窒化物半導体において、III族元素の一部をBまたはTl等に置換しても良い。波長変換粒子21に用いられる窒化物半導体において、Nの一部は、P、As、SbまたはBi等に置換しても良い。波長変換粒子21は、1種類の材料に限らず、2種類以上の材料を含むことができる。
例えば波長変換粒子21には、赤色蛍光体、黄色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体のいずれかを用いることができる。
赤色蛍光体は、例えば、600nm〜780nmの波長領域の光を放出する。黄色蛍光体は、例えば、550nm〜590nmの波長領域の光を放出する。緑色蛍光体は、例えば475nm〜520nmの波長領域の光を放出する。青色蛍光体は、430nm〜475nmの波長領域の光を放出する。
波長変換層20は、多層構造を有してもよい。波長変換層20は、発光波長の異なる複数の層を含んでもよい。本実施形態においては、第1光及び第2光の波長等の発光特性は、発光装置100で発光させる光の仕様などに基づいて、適切に設定される。例えば、第2光のピーク波長は、500nm以上である。樹脂22には、例えば、シリコーン系の樹脂などが用いられる。
波長変換層20は、例えば、光取り出し面20eを有する。光取り出し面20eは、波長変換層20の基板40とは反対側の面である。
第1波長選択層30は、例えば、誘電体多層膜である。第1波長選択層30には、例えば、異なる屈折率を有する複数の膜が積層されている。例えば、基板40の上に複数の膜が順次積層され、第1波長選択層30が形成される。
図1(b)は、第1波長選択層30を例示する模式図である。
第1波長選択層30は、複数の第1光学層30iと、複数の第2光学層30jと、を含む。図1(b)に表したように、複数の第1光学層30i、複数の第2光学層30j及び複数の第3光学層30kは、Z軸方向において交互に積層されている。
第1波長選択層30は、複数の第1光学層30iと、複数の第2光学層30jと、を含む。図1(b)に表したように、複数の第1光学層30i、複数の第2光学層30j及び複数の第3光学層30kは、Z軸方向において交互に積層されている。
例えば、第1光学層30iとして、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む酸化物層、または、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む窒化物層が用いられる。
例えば、第2光学層30jとして、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む酸化物層、または、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む窒化物層が用いられる。
第1光学層30iのそれぞれの屈折率は、第2光学層30jのそれぞれの屈折率とは異なる。第1光学層30iのそれぞれの屈折率は、第3光学層30kのそれぞれの屈折率とは異なる。第2光学層30jのそれぞれの屈折率は、第3光学層30kのそれぞれの屈折率とは異なる。第1光学層30iのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第2光学層30jのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第3光学層30kのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第1〜第3光学層30i〜30kのそれぞれの屈折率、及び第1〜第3光学層30i〜30kのそれぞれの厚さは、透過する波長及び反射する波長に合わせて、適宜光学的に設計される。
例えば、第2光学層30jとして、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む酸化物層、または、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む窒化物層が用いられる。
第1光学層30iのそれぞれの屈折率は、第2光学層30jのそれぞれの屈折率とは異なる。第1光学層30iのそれぞれの屈折率は、第3光学層30kのそれぞれの屈折率とは異なる。第2光学層30jのそれぞれの屈折率は、第3光学層30kのそれぞれの屈折率とは異なる。第1光学層30iのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第2光学層30jのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第3光学層30kのそれぞれの厚さは、例えば30nm以上200nm以下である。第1〜第3光学層30i〜30kのそれぞれの屈折率、及び第1〜第3光学層30i〜30kのそれぞれの厚さは、透過する波長及び反射する波長に合わせて、適宜光学的に設計される。
第1波長選択層30は、例えば、第1光に対して透過性を有し、第2光に対して反射性を有する。基板40は、第1光及び第2光に対して透過性を有する。第1波長選択層30の第1光のピーク波長に対する透過率は、第1波長選択層30の第2光のピーク波長に対する透過率よりも高い。第1波長選択層30の第2光のピーク波長に対する反射率は、第1波長選択層30の第1光のピーク波長に対する反射率よりも高い。
透過性を有する部材においては、透過率が、反射率よりも高く、吸収率よりも高い。例えば、透過性を有する部材においては、光透過率が例えば、90%以上である。透過率は、例えば、80%以上でも良い。
反射性を有する部材においては、反射率が透過率よりも高い。例えば、反射率は、吸収率よりも高い。例えば、透過性を有する部材においては、反射率は、例えば90%以上である。反射率が80%以上でも良い。
反射性を有する部材においては、反射率が透過率よりも高い。例えば、反射率は、吸収率よりも高い。例えば、透過性を有する部材においては、反射率は、例えば90%以上である。反射率が80%以上でも良い。
例えば、第1波長選択層30は、第1光のピーク波長に対して60%以上の透過率を有する。例えば、第1波長選択層30は、第2光のピーク波長に対して、60%以上の反射率を有する。
例えば、第1波長選択層30の第1光に対する透過率は、基板40の第1光に対する透過率よりも高い。例えば、第1波長選択層30の第2光に対する反射率は、基板40の第2光に対する反射率よりも高い。
図2は、第1の実施形態に係る発光装置を例示する模式図である。
図2は、発光装置100の動作を例示している。
図2は、発光装置100の動作を例示している。
例えば、光出射部10に電流が供給されると、発光層13から光が放出される。すなわち、発光層13は、第1光L1を出射する。第1光L1の一部は、第1波長選択層30へ向かって進行する。
第1波長選択層30は、第1光L1に対して透過性を有する。第1波長選択層30に入射した第1光L1の一部は、第1波長選択層30の中及び基板40の中を伝搬し、波長変換層20に入射する。
波長変換層20に入射した第1光L1の一部は、波長変換層20において、波長変換粒子21に吸収される。第1光L1の一部を吸収した波長変換は、第2光L2を放出する。
第2光L2の一部(L2a)は、光取り出し面20eへ向かって進行し、外界へ取り出される。第2光L2の別の一部(L2b)は、光取り出し面20eへ向かう方向と逆方向に進行し、基板40中を伝搬し、第1波長選択層30へ到達する。第1波長選択層30へ到達した第2光L2の一部は、第1波長選択層30によって反射される。反射された第2光L2の一部は、基板40の中及び波長変換層20の中を伝搬し、光取り出し面20eへ向かって進行し、外界へ取り出される。
図3は、参考例の発光装置を示す模式図である。
図3に表した発光装置190においても、光出射部10、波長変換層20及び基板40が設けられている。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。発光装置190には、第1波長選択層30が設けられていない。発光装置190は、発光装置100の第1波長選択層30を省略した構成に相当する。
図3に表した発光装置190においても、光出射部10、波長変換層20及び基板40が設けられている。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。発光装置190には、第1波長選択層30が設けられていない。発光装置190は、発光装置100の第1波長選択層30を省略した構成に相当する。
発光装置190においても、発光層13から、第1光L1が出射される。第1光L1の一部は基板40に向かって進行する。基板40に到達した光の一部(L1a)は、基板40によって反射され、光取り出し面20eへ向かう方向と逆方向へ進行する。基板40によって反射された光は、損失となる。
これに対して、発光装置100においては、第1光L1に対して透過性を有する第1波長選択層30が設けられている。光出射部10から第1波長選択層30に到達した第1光L1の一部は、第1波長選択層30によって反射されにくく、第1波長選択層30の中を伝搬する。これにより、第1光L1の損失が抑制される。
第1波長選択層30の中を伝搬した第1光L1の一部は、基板40に入射する。第1光L1の基板40の内部への入射を促進するために、光出射部10の第1波長選択層30と接する部分の屈折率(第1屈折率n1)、第1波長選択層30の基板40と接する部分の屈折率(第2屈折率n2)及び、基板40の屈折率(第3屈折率n3)を適切に設定することが望ましい。例えば、第2屈折率n2と第3屈折率n3との差が、第1屈折率n1と第3屈折率n3との差よりも小さくなるように設定する。これにより、第1波長選択層30を設けた場合、第1波長選択層30を設けない場合に比べて、基板40における第1光L1の反射(フレネル反射)を抑制することができる。これにより、第1光L1の損失が抑制される。
参考例の発光装置190において、第1光L1の別の一部(L1b)は、基板40中伝搬し、波長変換層20に入射する。波長変換層20に入射した第1光L1の一部は、波長変換層20において、波長変換粒子21に吸収される。第1光L1の一部を吸収した波長変換層20は、第2光L2を放出する。放出された第2光L2の一部(L2c)は、光取り出し面20eへ向かい外界へ取り出される。
第2光L2の別の一部(L2d)は、光取り出し面20eへ向かう方向と逆方向へ進行し、基板40を透過する。基板40を透過した光は、損失となる。
これに対して、発光装置100においては、第2光L2に対して反射性を有する第1波長選択層30が設けられている。これにより、基板40の中を伝搬し第1波長選択層30へ到達した第2光L2の一部(L2b)は、第1波長選択層30によって反射されやすい。第1波長選択層30によって反射された第2光L2の一部は、光取り出し面20eへ向かって進行し、外界へ取り出される。
発光装置100のように、第1波長選択層30を設けることで、光の損失を抑制することができ、発光効率が向上する。
図4は、発光装置の特性を例示するグラフ図である。
図4の縦軸は、光透過率TR%であり、横軸は入射波長λpである。図4は、波長λpの光が入射角θで入射したときの光透過率を表している。図4は、発光装置100に用いられる第1波長選択層30のデータ及び参考例のサファイア基板のデータを例示している。
図4の縦軸は、光透過率TR%であり、横軸は入射波長λpである。図4は、波長λpの光が入射角θで入射したときの光透過率を表している。図4は、発光装置100に用いられる第1波長選択層30のデータ及び参考例のサファイア基板のデータを例示している。
図4に表したように、参考例のサファイア基板40の光透過率T40は、波長λpに対する依存性が小さい。サファイア基板40は、例えば、波長λpが短い領域から長い領域にわたって(350nm以上850nm以下)、80%程度の比較的高い透過率T40を有している。波長変換層20から放出され、基板40の中を伝搬する第2光L2は、基板40を透過しやすい。基板40を透過した光は、光取り出し面20eとは逆方向へ進行し、損失となる。
一方、図4に表したように、第1波長選択層30の光透過率T30は、入射角θと波長λpと、に依存する。第1波長選択層30の光透過率T30は、例えば、波長λpが長い(550nm以上750nm以下)領域において、10%以下である。例えば、黄色の第2光L2を用いた場合、波長変換層20から放出され基板40の中を伝搬する第2光L2の一部は、第1波長選択層30を透過しにくい。例えば、第2光L2の一部は、第1波長選択層30によって反射され、光取り出し面20eへ向かって進行する。これにより、第2光L2の損失を抑制することができる。
第1波長選択層30は、入射角θが0度または30度の光に対して、波長λpが短い(400nm以上500nm以下)領域において、90%程度の高い透過率T30を有する。第1波長選択層30は、入射角θが60度の光に対しても、波長が短い(400以上450nm以下)領域において80%程度の透過率T30を有している。例えば、光出射部10に青色LEDを用いた場合、光出射部10から出射され第1波長選択層30に入射する第1光L1は、第1波長選択層30によって反射されにくい。第1光L1は、第1波長選択層30を透過し、基板40に入射する。例えば、第1波長選択層30を設けることで、基板40による第1光L1の反射が抑制される。これにより、第1光L1の損失を抑制することができる。
第1波長選択層30を設けることで、光の損失を抑制し、発光効率を向上した発光装置が提供される。本実施形態によれば、高効率の発光装置を提供できる。
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。発光装置110は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、基板40と、を含む。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。発光装置110は、さらに、反射金属膜45と、実装部材50と、を含む。
図5は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。発光装置110は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、基板40と、を含む。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。発光装置110は、さらに、反射金属膜45と、実装部材50と、を含む。
第1波長選択層30は、第1面30aと第2面30bとを有する。第2面30bは、Z軸方向において第1面30aと離間する。第1面30aは、光出射部10側の面である。第1面30aは、基板40とは反対側の面である。第2面30bは、基板40側の面である。
第1面30aは、第1領域35aと第2領域35bとを含む。第1領域35aは、光出射部10から波長変換層20へ向かう方向と交差する平面(例えば、X−Y平面)に投影したときに、光出射部10と重なる領域である。第2領域35bは、光出射部10から波長変換層20へ向かう方向と交差する平面(例えば、X−Y平面)に投影したときに、光出射部10と重ならない領域である。
第1波長選択層30は、第1側面30sを有する。第1側面30sは、第1面30aと交差する面である。基板40は、第2側面40sを有する。第2側面40sは、光出射部10から波長変換層20へ向かう交差する平面(例えば、X−Y平面)と交差する面である。
反射金属膜45は、第2側面40sと第1側面30sと第2領域35bとの少なくとも一部を覆い、第2側面40sと第1側面30sと第2領域35bとの少なくとも一部と接している。この例では、反射金属膜45は、第2側面40s、第1側面30s及び第2領域35bを覆い、第2側面40s、第1側面30s及び第2領域35bと接している。反射金属膜45は、例えば、Al及びAgの少なくともいずれかを含む。反射金属膜45は、第1光及び第2光に対して反射性を有する。
例えば、基板40と実装部材50との間に、光出射部10及び第1波長選択層30が配置される。実装部材50の光出射部10側の面には、例えば、実装パターン15が設けられている。実装パターン15は、第1接続部材15aと、第2接続部材15bと、実装基板15cと、を含む。
第1接続部材15aは、実装基板15cと第1電極11eとの間に配置される。実装基板15cは、第1接続部材15aを介して第1電極11eと電気的に接続される。
第2接続部材15cは、実装基板15cと第2電極12eとの間に配置される。実装基板15cは、第2接続部材15bを介して第2電極12eと電気的に接続される。実装パターン15を介して、光出射部10は、通電される。
第2接続部材15cは、実装基板15cと第2電極12eとの間に配置される。実装基板15cは、第2接続部材15bを介して第2電極12eと電気的に接続される。実装パターン15を介して、光出射部10は、通電される。
実装部材50は、例えば、第2側面40sと第1側面30sと第2領域35bとの少なくとも一部を覆うように設けられる。例えば、実装部材50は、反射金属膜45の少なくとも一部と接する。実装部材50には、例えば、AlまたはCuが用いられる。
図6は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式図である。図6は、発光装置110の動作を例示している。
図6に表したように、光出射部10が通電されることで、発光層13は、第1光L1を出射する。第1光L1の一部(L1c)は、例えば、光取り出し面20eの方向へ進行する。第1光L1の一部は、第1波長選択層30及び基板40中を伝搬し、波長変換層20へ入射する。波長変換層20に入射した第1光L1の一部は、波長変換粒子21により吸収される。波長変換粒子21は、第2光L2を放出する。
放出された第2光L2の一部(L2e)は、光取り出し面20eへ向かう方向とは逆方向へ放出される。例えば、放出された第2光L2の一部は、基板40の中を伝搬し、第1波長選択層30によって反射される。第1波長選択層30によって反射された第2光L2の一部は、例えば、第2側面40sへ向かって進行する。例えば、第2側面40sには、反射金属膜45が設けられている。これにより、例えば、第2側面40sへ向かって進行してきた第2光L2の一部は、反射金属膜45によって反射される。反射された第2光L2の一部は、例えば、取り出し面20eへ向かって進行し、外界へ取り出される。
もし、反射金属膜45が設けられていない場合には、基板40中を伝搬し第2側面40sへ向かって進行する第2光L2の一部は、基板40を透過し、光取り出し面20eの設けられていない方向へ進行する。この光は、損失となる。
例えば、光出射部10から発光された第1光L1の別の一部(L1d)は、第1波長選択層30及び基板40中を伝搬し、波長変換層20に到達する。波長変換層20に到達した第1光L1の一部は、例えば、基板40と、波長変換層20との界面において、反射される。反射された第1光L1の一部は、例えば、光取り出し面20eへ向かう方向と逆方向へ進行する。第1光L1の一部は、基板40の中及び第1波長選択層30の中を伝搬し、例えば、第2領域35bへ向かって進行する。例えば、第2領域35bと接する反射金属膜45が設けられている。第2領域35bへ向かって進行した第1光L1の一部は、反射金属膜45によって反射され、再び、光取り出し面20eの方向へ向かう。
もし、反射金属膜45が設けられていない場合には、第2領域35bへ向かって進行した第1光L1の一部は、第1波長選択層30を透過し、光取り出し面20eの設けられていない方向へ進行する。この光は、損失となる。
本実施形態に係る発光装置110においては、反射金属膜45を設けることで、光の損失を抑制することができ、発光効率を向上させることができる。本願発明者の検討によると、光出射部10における電力を1.5Wとしたときに、発光装置110の発光効率は、参考例の発光装置190の発光効率に比べて、1.7倍に向上することが見出された。
図7は、参考例の発光装置を示す模式図である。
図7に表したように参考例の発光装置191には、光出射部10と、波長変換層20と、実装部材51(放熱基板)と、が設けられる。波長変換層20と実装部材51との間に光出射部10が設けられる。光出射部10及び波長変換層20については、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。
図7に表したように参考例の発光装置191には、光出射部10と、波長変換層20と、実装部材51(放熱基板)と、が設けられる。波長変換層20と実装部材51との間に光出射部10が設けられる。光出射部10及び波長変換層20については、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。
発光装置191において、光出射部10から第1光が出射される。第1光は、波長変換層20において波長変換粒子21によって吸収される。波長変換粒子21は、第2光を放出する。この際、波長変換層20には、熱が生じる。波長変換層20において生じた熱は、光出射部10を介して実装部材51へ伝導され、放熱される。波長変換層20において第2光が放出されるときに、光出射部10の温度が上昇しやすい。光出射部10の温度が上昇することで、発光層13における発光効率が低下する場合がある。
一方、本実施形態に係る発光装置110においては、光出射部10と波長変換層20との間に、基板40が設けられている。基板40には、例えば、高い熱伝導率を有するセラミックが用いられる。さらに、発光装置110に設けられた実装部材50は、第2側面40s、第1側面30s及び第2領域35bとを覆うように設けられた反射金属膜45に接する。これにより、波長変換層20において生じた熱は、基板40及び反射金属膜45を介して、実装部材50へ伝導され、効率よく放熱される。
本願発明者の検討によると、参考例の発光装置191における波長変換層20の熱抵抗は、1.06K/Wである。発光装置110の波長変換層20の熱抵抗は、0.29K/Wである。本実施形態によれば、参考例の発光装置191に比べて3.65倍程度、放熱性が改善する。
発光装置110における放熱は、発光装置191のような光出射部10を介した放熱となりにくい。このため、発光装置110においては、発光装置191よりも光出射部10の温度が上昇しにくく、発光効率が低下しにくい。
図8は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、発光装置111は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、を含む。これらについては、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。発光装置111は、第2波長選択層31をさらに含む。第2波長選択層31は、波長変換層20と、基板40との間に設けられる。発光装置111は、発光装置110に第2波長選択層31をさらに設けた構成に相当する。
図8に表したように、発光装置111は、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、を含む。これらについては、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。発光装置111は、第2波長選択層31をさらに含む。第2波長選択層31は、波長変換層20と、基板40との間に設けられる。発光装置111は、発光装置110に第2波長選択層31をさらに設けた構成に相当する。
第2波長選択層31は、第1光に対して透過性を有し、第2光に対して反射性を有する。第2波長選択層31は、例えば、第1波長選択層30と同様の構成とすることができる。
例えば、光出射部10から出射された第1光の一部は、第1波長選択層30の中及び基板40の中を伝搬し、第2波長選択層31に到達する。第2波長変換層31は、第1光に対して透過性を有する。これにより、第2波長選択層31に到達した第1光の一部は、第2波長選択層31によって反射されにくく、第2波長選択層31の中を伝搬する。これにより、第1光の入射効率を向上させることができ、発光効率が高まる。
第2波長選択層31の中を伝搬した第1光の一部は、波長変換層20に入射する。第1光の波長変換層20の内部への入射を促進するために、基板40の屈折率(第3屈折率n3)と、第2波長選択層31の波長変換層20と接する部分の屈折率(第4屈折率n4)及び、波長変換層20の屈折率(第5屈折率n5)を適切に設定することが望ましい。例えば、第4屈折率n4と第5屈折率n5との差が、第3屈折率n3と第5屈折率n5との差よりも小さくなるように設定する。これにより、第2波長選択層31を設けた場合、第2波長選択層31を設けない場合に比べて、波長変換層20における第1光の反射(フレネル反射)を抑制することができる。これにより、波長変換層20への第1光の入射効率を向上させることができ、発光装置111の発光効率が向上する。
図9は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。
図9に表した発光装置112においても、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、第2波長選択層31と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、が設けられている。これらについては、発光装置111に関して説明した構成が適用できる。例えば、光出射部10は、透明電極10tと金属電極10mとを含むLEDでもよい。例えば、透明電極10tは、光出射部10の波長変換層20側の面に設けられる。例えば、金属電極10mは、光出射部10の波長変換層20側の面と反対側の面に設けられる。光出射部10は、例えば、透明電極10tと金属電極10mとを介して、Z軸方向に沿って電流が流れる縦通電型のLEDである。
図9に表した発光装置112においても、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、第2波長選択層31と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、が設けられている。これらについては、発光装置111に関して説明した構成が適用できる。例えば、光出射部10は、透明電極10tと金属電極10mとを含むLEDでもよい。例えば、透明電極10tは、光出射部10の波長変換層20側の面に設けられる。例えば、金属電極10mは、光出射部10の波長変換層20側の面と反対側の面に設けられる。光出射部10は、例えば、透明電極10tと金属電極10mとを介して、Z軸方向に沿って電流が流れる縦通電型のLEDである。
波長変換層20は、例えば、光出射部10から放出された第1光の少なくとも一部を吸収し、第2光を放出する。波長変換層20は、第2光を放出するときに発熱する。発光装置112においては、波長変換層20において生じた熱は、例えば、第2波長選択層31を介して、高い熱伝導率を有する基板40へ伝導される。基板40へ伝導された熱は、例えば、反射金属膜45を介して、実装部材50へ伝導される。反射金属膜45及び実装部材50には、金属が用いられており、反射金属膜45及び実装部材50は、高い熱伝導率を有する。これにより、例えば、波長変換層20において生じた熱が、効率よく放熱される。
例えば、基板40の厚さは、50マイクロメートル以上1ミリメートル以下である。例えば、X−Y平面に投影したときに、基板40の面積は、光出射部10の面積よりも大きい。例えば、X−Y平面に投影したときに、基板40の面積は、光出射部10の面積の2倍以上である。これにより、基板40の実装部材50に覆われている領域が広くなる。これにより、例えば、波長変換層20から基板40へ伝導された熱は、実装部材50へ効率よく放熱される。発光効率の低下を抑制することができる。
図10は、第2の実施形態に係る発光装置を例示する模式的断面図である。
図10に表した発光装置113においても、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、第2波長選択層31と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、が設けられている。
波長変換層20、第1波長選択層30、基板40、反射金属膜45及び実装部材50については、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。
図10に表した発光装置113においても、光出射部10と、波長変換層20と、第1波長選択層30と、第2波長選択層31と、基板40と、反射金属膜45と、実装部材50と、が設けられている。
波長変換層20、第1波長選択層30、基板40、反射金属膜45及び実装部材50については、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。
図10に表したように、この例では、光出射部10から波長変換層20へ向かう方向と交差する平面(例えば、X−Y平面)に投影したときに、第1波長選択層30の面積は、第2波長選択層31の面積よりも小さい。例えば、基板40の波長変換層20側の面の面積は、基板40の光出射部10側の面の面積よりも大きい。
発光装置113においても、発光装置110と同様に、光の損失が抑制され、放熱性が向上される。発光効率の向上した発光装置が提供される。
図11(a)〜図11(e)は、発光装置を例示する模式図である。
図11(a)は、参考例の発光装置200を例示する模式図である。発光装置200には、光出射部10(図示しない)、波長変換層20及び基板40が設けられている。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。
図11(a)は、参考例の発光装置200を例示する模式図である。発光装置200には、光出射部10(図示しない)、波長変換層20及び基板40が設けられている。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。
例えば、光出射部10から励起光E1が放出される。励起光E1は、光出射部10から基板40の方向へ進行し、基板40へ入射する。励起光E1の一部(反射励起光E1ra)は、基板40によって反射される。基板40へ入射した励起光E1の別の一部は、基板40中を伝搬し、波長変換層20へ入射する。波長変換層20へ入射した励起光E1の一部(反射励起光E2ra)は、波長変換層20によって反射され、例えば、光出射部10の方向へと進行する。波長変換層20へ入射した励起光E1の一部(透過励起光E1t)は、波長変換層20を透過し、外界へ取り出される。波長変換層20へ入射した励起光E1の別の一部は、波長変換層20において吸収される。波長変換層20は、蛍光F1、蛍光F2t及び蛍光F2rを放出する。蛍光F1は、波長変換層20の基板40と対向する面と反対側の面の方向へ進行し、外界へ取り出される。蛍光F2t及び蛍光F2rは、波長変換層20から光出射部10へ向かう方向へ進行する。蛍光F2rは、例えば、基板40中を伝搬し、基板40の光出射部10側の面において全反射される。発光装置200において、反射励起光E1ra、反射励起光E2ra、蛍光F2及び蛍光F2rは損失となり、発光装置200の発光効率が低下する。
図11(b)は、実施形態に係る発光装置201を例示する模式図である。発光装置201には、光出射部(図示しない)、波長変換層20、基板40及び第1波長選択層30が設けられている。これらについては、発光装置100に関して説明した構成が適用できる。発光装置201は、発光装置200に第1波長選択層30を設けた発光装置に相当する。
発光装置201においても、光出射部10から励起光E1が放出される。励起光E1の一部は、光出射部10から基板40の方向へ進行し、第1波長選択層30中を進行し、基板40へ入射する。基板40へ入射した励起光E1の一部(反射励起光E1rb)は、基板40によって反射される。発光装置200における説明と同様に、発光装置201においても、透過励起光E1t、反射励起光E2ra、蛍光F1、蛍光F2rが生じる。発光装置201においては、波長変換層20から放出された蛍光F2rbは、波長変換層20から光出射部10へ向かう方向へ進行する。基板40中を進行した蛍光F2rbは、第1波長選択層30によって反射され、波長変換層20の方向へ進行し、外界へ取り出される。発光装置201において、反射励起光E1rb、反射励起光E2ra及び蛍光F2rは損失となり、発光装置201の発光効率が低下する。
第1波長選択層30は、励起光E1に対して透過性を有する。これにより、例えば、励起光E1の基板40への入射効率が高くなる。例えば、反射励起光E1rbの光量は、反射励起光E1raの光量よりも少ない。
第1波長選択層30は、蛍光F2rbや蛍光F2tに対して反射性を有する。これにより、例えば、蛍光F2rbは、蛍光F2tのように損失とならず、外界へ取り出される。これにより、発光装置201においては、発光装置200におけるよりも光の損失が少ない。
図11(c)は、実施形態に係る発光装置202を例示する模式図である。発光装置202には、光出射部10(図示しない)、波長変換層20、基板40及び反射金属膜45が設けられている。これらについては、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。発光装置202は、発光装置200に反射金属膜45を設けた発光装置に相当する。
発光装置202においても、光出射部10から励起光E1が放出される。発光装置200における説明と同様に、発光装置202においても、透過励起光E1t、反射励起光E1ra、反射励起光E2ra、蛍光F1及び蛍光F2tが生じる。発光装置202においては、基板40中を進行し、波長変換層20へ入射した励起光E1の一部は、波長変換層20によって、反射される。波長変換層20によって反射された励起光E1の一部(反射励起光E2rc)は、光出射部10へ向かう方向へ進行し、反射金属膜45に入射する。反射金属膜45に入射した反射励起光E2rcは、反射金属膜45によって反射され、波長変換層20の方向へ向かって基板40中を進行し、外界へ取り出される。
発光装置202においては、波長変換層20から放出された蛍光F2rcは、例えば、光出射部10へ向かう方向へ進行し、基板40中を伝搬する。蛍光F2rcは、反射金属膜45によって反射され、波長変換層20の方向へ向かって基板40中を進行し、外界へ取り出される。
発光装置202においては、例えば、反射励起光E1ra、反射励起光E2ra及び蛍光F2tは、損失となり、発光装置202の発光効率が低下する。
例えば、蛍光F2rcは、蛍光F2rのように損失とならず、外界へ取り出される。例えば、反射励起光E2rcは、反射励起光E2raのように損失とならず、外界へ取り出される。これにより、発光装置202においては、発光装置200におけるよりも光の損失が少ない。
図11(d)は、実施形態に係る発光装置203を例示する模式図である。発光装置203には、光出射部10(図示しない)、波長変換層20、基板40、第1波長選択層30及び反射金属膜45が設けられている。これらについては、発光装置110に関して説明した構成が適用できる。発光装置203は、発光装置200に第1波長選択層30及び反射金属膜45を設けた発光装置に相当する。
発光装置200〜202における説明と同様に、発光装置203においても、透過励起光E1t、反射励起光E1rb、反射励起光E2ra、反射励起光E2rc、蛍光F1、蛍光F2rb及び蛍光F2rcが生じる。例えば、発光装置203においては、反射励起光E1rb及び反射励起光E2raは、損失となり、発光装置203の発光効率が低下する。
例えば、発光装置203においては、反射励起光E1rbの光量は、反射励起光E1raの光量よりも少ない。反射励起光E2rc、蛍光F2rc及び蛍光F2rbは、それぞれ、反射励起光E2ra、F2r及び蛍光F2tのように損失とならず外界へ取り出される。これにより、発光装置203においては、発光装置200〜202におけるよりも光の損失が少ない。発光装置203は高効率の発光装置である。
図11(e)は、実施形態に係る発光装置204を例示する模式図である。発光装置204には、光出射部10(図示しない)、波長変換層20、基板40、第1波長選択層30、第2波長選択層31及び反射金属膜45が設けられている。これらについては、発光装置111に関して説明した構成が適用できる。発光装置204は、発光装置200に第1波長選択層30、第2波長選択層31及び反射金属膜45を設けた発光装置に相当する。
発光装置204においても、発光装置200〜203における説明と同様に、透過励起光E1t、反射励起光E1rb、反射励起光E2rc、蛍光F1、蛍光F2rb及び蛍光F2rcが生じる。
発光装置204においては、第2波長選択層31が設けられている。第2波長選択層31は、例えば、励起光E1に対して透過性を有している。これにより、例えば、基板40中を進行し、波長変換層20へ入射した光は、波長変換層20によって反射されにくい。発光装置203におけるような反射励起光E2raが生じにくい。発光装置204においては、発光装置200〜203におけるよりも光の損失が少ない。発光装置204は高効率の発光装置である。
実施形態によれば、高効率の発光装置が提供できる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BxInyAlzGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光出射部、波長変換層、第1波長選択層、第2波長選択層、基板、実装部材及び反射金属膜などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した発光装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発光装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
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。
10…光出射部、 10t…透明電極、 10m…金属電極、 11…第1半導体層、 11a…第1半導体部分、 11b…第2半導体部分、 11e…第1電極、 11p…第1主面、 11q…第2主面、 12…第2半導体層、 12e…第2電極、 13…発光層、 15…実装パターン、 15a…第1接続部材、 15b…第2接続部剤、 15c…実装基板、 20…波長変換層、 20e…光取り出し面、 21…波長変換粒子、 22…樹脂、 30…第1波長選択層、 30a…第1面、 30b…第2面、 30i…第1光学層、 30j…第2光学層、 30k…第3光学層、 30s…第1側面、 31…第2波長選択層、 35a…第1領域、 35b…第2領域、 40…基板、 40s…第2側面、 45…反射金属膜、 50、51…実装部材、 n1〜n5…第1〜第5屈折率、 θ…入射角、 λp…波長、 100、110〜113、190、191、200〜204…発光装置、 E1…励起光、 E1ra、E1rb、E2ra、E2rc…反射励起光、 E1t…透過励起光、 F1、F2、F2r、F2rb、F2rc、F2t…蛍光、 L1、L1a〜L1d…第1光、 L2、L2a〜L2e…第2光、 TR、T30、T40…光透過率
Claims (16)
- 第1ピーク波長を有する第1光を出射する光出射部と、
波長変換層と、
前記波長変換層と前記光出射部との間に設けられ前記第1光に対して透過性を有する第1波長選択層と、
を備え、
前記波長変換層は、前記第1波長選択層を透過して前記波長選択層に入射した前記第1光の少なくとも一部を吸収して前記第1ピーク波長よりも長い第2ピーク波長を有する第2光を放出し、
前記第1波長選択層の前記第2ピーク波長に対する反射率は、前記第1波長選択層の前記第1ピーク波長に対する反射率よりも高い発光装置。 - 前記第1波長選択層の前記第1ピーク波長に対する透過率は、前記第1波長選択層の前記第2ピーク波長に対する透過率よりも高い請求項1記載の発光装置。
- 前記第1波長選択層の前記第1ピーク波長に対する透過率は80%以上であり、
前記第1波長選択層の前記第2ピーク波長に対する前記反射率は、80%以上である請求項1または2に記載の発光装置。 - 前記第1波長選択層は、前記光出射部から前記波長変換層に向かう方向に交互に積層された複数の第1光学層と複数の第2光学層とを含み、
前記複数の第1光学層のそれぞれの屈折率は、前記複数の第2光学層のそれぞれの屈折率は異なる請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光装置。 - 前記複数の第1光学層のそれぞれは、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む酸化物、及び、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む窒化物、の少なくともいずれかの第1材料を含み、
前記複数の第2光学層のそれぞれは、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む酸化物、及び、Si、Ta、Hf、Zr及びMgの少なくともいずれかを含む窒化物、の少なくともいずれかであって前記第1材料とは異なる第2材料を含む請求項4記載の発光装置。 - 前記複数の第1光学層のそれぞれの厚さは、30ナノメートル以上200ナノメートル以下であり、
前記複数の第2光学層のそれぞれの厚さは、30ナノメートル以上200ナノメートル以下である請求項4または5に記載の発光装置。 - 前記第1ピーク波長は、500ナノメートル未満であり、
前記第2ピーク波長は、500ナノメートル以上である請求項1〜6のいずれか1つに記載の発光装置。 - 前記第1波長選択層と前記波長変換層との間に設けられ、第1光及び第2光に対して透過性を有する基板をさらに備えた請求項1〜7のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記第1波長変換層と前記基板との間に設けられ、前記第1光に対して透過性を有し、前記第2光に対して反射性を有する第2波長選択層をさらに備えた請求項8に記載の発光装置。
- 前記第1波長選択層は、第1領域と第2領域とを含む前記光出射部側の第1面と、前記第1面と交差する第1側面と、を有し、
前記第1領域は、前記光出射部から前記波長変換層へ向かう第1方向と交差する平面に投影したときに、前記光出射部と重なり、
前記第2領域は、前記平面に投影したときに前記光出射部と重ならず、
前記基板は、前記平面と交差する第2側面を有し、
前記第1側面と前記第2側面と前記第2領域との少なくとも一部と接する反射金属膜をさらに備えた請求項8または9に記載の発光装置。 - 前記基板は、前記光出射部から前記波長変換層へ向かう第1方向と交差する平面に投影したときに、前記光出射部よりも大きい面積を有する請求項8〜10のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記基板の面積は、前記平面に投影したときに、前記光出射部の面積の2倍以上である請求項11に記載の発光装置。
- 前記基板は、サファイア基板を含む請求項8〜12のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記基板の厚さは、50マイクロメートル以上1ミリメートル以下である請求項8〜13のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記光出射部は、前記第1光を放出する半導体発光素子を含む請求項1〜14のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子は、発光ダイオードを含む請求項15に記載の発光装置。
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