JP2016143622A - Led照明装置、投光器及びヘッドライト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED照明装置100は、基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材130とを備え、狭角光の全放射束が0.12W以上、かつ、全放射束を半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が0.6W/mm2以上の光学特性を有する。
【選択図】図1
Description
消費電力が少なく、小型で、1/2ビーム角が3度以下の超狭角のヘッドライトが検討されている。
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が0.12W以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が0.6W/mm2以上である、LED照明装置。
[2]基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が0.12W以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が0.6W/mm2以上である、LED照明装置。
[3]基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成され、青色系の光を発する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの光を励起光として黄色系の光を発する蛍光体と、
前記半導体発光素子が発した前記青色系の光と前記蛍光体が発した前記黄色系の光の混合光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全光束が24(lm)以上、かつ、前記全光束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した光束密度が120(lm)/mm2以上である、LED照明装置。
[4]前記狭角光は、1/2ビーム角が1.5度以下である、前記[1]から[3]のいずれかに記載のLED照明装置。
[5]前記光学部材から出射された光の光束を前記光学部材に入射された前記光の光束で除した光利用効率が、1/10ビーム角において40%以上である、前記[1]から[4]のいずれかに記載のLED照明装置。
[6]前記狭角光は、150m先の面において照度2ルクス以上である、前記[1]から[5]のいずれかに記載のLED照明装置。
[7]前記光学部材は、前記半導体発光素子の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第1の整形部と、前記半導体発光素子から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面が円柱状を有し、前記入射面に入射した前記周辺光束を平行光に整形する第2の整形部と、を備えた前記[1]から[6]のいずれかに記載のLED照明装置。
[8]前記半導体発光素子は、
n型半導体基板と、
前記半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、前記n型半導体基板との屈折率の差が0.15以下である誘電体層と、
前記n型半導体基板上に前記誘電体層を介して形成され、前記誘電体層、及び前記n型半導体基板の表面の前記誘電体層に覆われていない部分に接触するn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたp型半導体層と、
前記n型半導体基板の前記誘電体層が形成された面と反対側に形成されたn型電極と、
前記p型半導体層上に形成されたp型電極とを備えた、前記[1]から[7]のいずれかに記載のLED照明装置。
[9]前記[1]から[8]のいずれかに記載のLED照明装置を備えた投光器。
[10]前記[1]から[8]のいずれかに記載のLED照明装置を備えたヘッドライト。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るLED照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。このLED照明装置100は、通電方向が縦方向のLED素子を用いたLED光源110と、LED光源110から出射された光を例えば平行光に整形して大光量の超狭角の光を出射する光学部材130とを備える。なお、LED素子は、半導体発光素子の一例である。光学部材130は、光学系の一例である。
次に、LED照明装置100の光学特性について説明する。このLED照明装置100は、例えば、100〜150m離れた遠方を、1/2ビーム角が1.5度以下、1/10ビーム角が4度以下の超狭角ビームで照明する超狭角ビームライトである。ここで、「1/2ビーム角」とは、光度が中心光度の1/2となる光の広がり角度をいう。「1/10ビーム角」とは、光度が中心光度の1/10となる光の広がり角度をいう。なお、100mよりも短い距離離れた所を照明してもよい。
LED光源110は、LED素子1と、後述する銅ブロック111及び放熱器117を含む放熱構造とを有する。なお、LED光源110は、LED素子が発する第1の色の光で励起して第2の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、LED素子1の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをLED素子1の表面に形成してもよい。例えば、LED素子1として、青色系の色の光を発するLED素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するYAG系蛍光体、BOS系蛍光体等を用いることにより、LED光源110は、LED素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。なお、蛍光体の構成の詳細については後述する。また、LED光源110から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。
光学部材130は、LED光源110の中心部から出射される中心光束を例えば平行光に整形する第1の整形レンズ131と、LED光源110から出射される中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面132bが円柱状を有し、入射面132bに入射した周辺光束を平行光に整形する第2の整形レンズ132とを備える。第1及び第2の整形レンズ131、132は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第1の整形レンズ131は、第1の整形部の一例であり、第2の整形レンズ132は、第2の整形部の一例である。図1中、Pは点光源の位置を示す。
図2は、LED光源110の構成を示す正面図である。このLED光源110は、銅ブロック111と、銅ブロック111の上面に絶縁層112を介して形成され、表面が金メッキされたn側電極113Aと、n側電極113Aに電気的に接続されたn側リード113Bと、銅ブロック111の上面の一部に形成されたp側電極銀メッキ層114Aと、p側電極銀メッキ層114Aに電気的に接続されたp側リード114Bと、p側電極銀メッキ層114A上に後述するp側パッド電極18が接続されて実装されたLED素子1と、LED素子1の後述するn側パッド電極16を表面が金メッキされたn側電極113Aに電気的に接続する金ワイヤ115とを備える。
図5(a)は、第1の実施の形態に係るLED素子1の縦断面図である。LED素子1は、n型半導体基板10と、n型半導体基板10の一方の表面に誘電体層11を介して形成されたn型半導体層12と、n型半導体層12のn型半導体基板10の反対側に形成されたp型半導体層14と、n型半導体層12とp型半導体層14に挟まれた発光層13と、n型半導体基板10のn型半導体層12と反対側の面上に接続されたn側電極15と、n側電極15のn型半導体基板10と反対側の面上のn側パッド電極16と、p型半導体層14の発光層13と反対側の面上に接続されたp側電極17と、p側電極17のp型半導体層14と反対側の面上のp側パッド電極18とを有する。ここで、n型半導体層12、発光層13及びp型半導体層14は、発光層を含む半導体積層体4の一例である。
以下に、本実施の形態のLED素子の製造方法の一例について説明する。
図5(c)は、LED素子1の電流密度分布を模式的に示す図である。n型半導体基板10は、導電性であるので、p側パッド電極18からn側パッド電極16に向かう電流は、図5(c)に示すように、中央から端に渡ってほぼ均等に流れる。中央を流れる電流をic、端側を流れる電流をipとすると、ip/ic≦1/2である。
図6は、n側電極15のTi層15aの厚さと、n側電極15とn型半導体基板10の接触抵抗との関係を示すグラフである。ここで、本評価においては、n型半導体基板10としてGa2O3基板を用い、n側電極15のAg層15bとしてAg濃度99%、Pd濃度1%のAg合金を用いた。
図7は、n側電極15のTi層15aの厚さと、n側電極15のTi層15a側から入射する光の反射率との関係を示すグラフである。図7の縦軸は、Ag濃度100%のAgミラーの反射率を基準(100%)とした相対反射率である。ここで、本評価においては、n側電極15のAg層15bとしてAg濃度99%、Pd濃度1%のAg合金を用いた。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態のLED素子1と異なる構造を有するLED素子についての形態である。LED素子の構成部材等、第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
第3の実施の形態は、第1の実施の形態のLED素子1と異なる構造を有するLED素子についての形態である。LED素子の構成部材等、第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
上記第1乃至第3の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)n側電極が発光層から発せられた光を効率的に反射することができるため、n側電極の光吸収に起因するLED素子の光取出効率の低下を抑えることができる。
(2)n型半導体基板10とn型半導体層12との間に部分的に分散して誘電体層11を設けたことで、結晶品質が良好なn型半導体層12が得られ、このn型半導体層12上に形成された発光層13及びp型半導体層14も結晶品質が良好となる。この結果、効率が向上する。
(3)n型半導体基板10として、光透過性を有するSiC基板よりも固有抵抗の小さい導電性酸化ガリウム基板を用い、導電性酸化ガリウム基板を比較的厚くすることで電流が十分拡散するようにした。その結果、電流の面内の均一性が増してLED素子の破壊を回避でき、LED素子に供給する電流を大きくできる。
(4)LED光源110は、さらに放熱構造を有しているため、小型なLED素子1でありながら、LED素子1に大電流を供給することができる。
(5)LED光源110を小型にして点光源に近似したものとし、光学部材130の焦点にLED光源110の点光源を正確に配置することにより、超狭角の光を実現することができる。
(6)光学部材130をLED素子1の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第1の整形レンズ131と、入射面132bが円柱状で、LED素子1から出射される中心光束の周辺の周辺光束を平行光に整形する第2の整形レンズ132とによる光学系を採用したので、光学系を小型にできる。
(7)したがって、小型なLED素子1でありながら、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができる。
図10は、本発明の第4の実施の形態に係るLED照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。第1の実施の形態は、光を出射する側に光学部材130を配置したが、本実施の形態は、光を出射する側と反対側に光学部材230を配置したものである。以下、第4の実施の形態について、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
(a)出射面131bの半径R=11.8mm
(b)入射面131aの外径D1=22mm
(a)入射面132bを構成する円柱空間の直径D2=12mm
(b)基準面132aの外径D3=23.94mm
(c)出射面132dの外径D4=60mm
(d)光軸110aに沿う方向の長さ(高さ)L0=27.5mm
(e)凹部132eの深さL1=10.2mm
(f)連通部132fの光軸110aに沿う方向の長さL2=7.0mm
(g)入射面132bの光軸110aに沿う方向の長さL3=10.4mm
(h)傾斜面132gの角度θ=60度
光学部材130の直径60mmに対してLED素子1のサイズ440μm×440μmは、十分に小さいといえる。
図11は、実施例1のLED素子1の電圧−電流の関係を示すグラフである。図11において、比較例1は、下地基板としてサファイア基板を用いたLED素子である。図12は、実施例1のLED素子1の電流−光出力(全放射束)の関係を示すグラフである。
本実施例1、2によれば、以下の効果を奏する。
(1)LEDのサイズを小さくしても効率の低下が少ない構造を採用したので、電流を増加した際、発熱量が小さく、大光量の光を出射することができる。
(2)LEDのサイズを440μm×440μmと小さくしたので、狭角の光を出射することができる。
(3)上記(1)、(2)よりサイズの小さいLED照明装置で、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができる。
(4)小型で軽量なサーチライトやヘッドランプに適用が容易である。
(5)ヘッドランプのハイビームの車検基準は、4灯式では12000カンデラ以上、2灯式では15000カンデラ以上であるが、ビーム角3度のときそれぞれ26ルーメン、32ルーメンとなる。一方、本実施例の酸化ガリウム基板を用いた縦型LEDチップは、440μm×440μmという小さい光源でありながら110ルーメン以上の光量が得られるので、車載に適用することができる。
(6)0.5Aのとき、消費電力1.9W、86ルーメンが得られ、100m先の照度は7.4ルクスであった。また、150m先の照度は実測値で3ルクスであり、遠方視認性が向上した。また、第2乃至第3の実施の形態においても、実施例1、2と同様の光学特性が期待できる。
従来のLED素子の定格電流は、通常20〜50mA程度である。窒化ガリウムを発光層とする青色LED素子の順方向電圧Vfは、3V程度である。この青色LED素子の電力は0.06W〜0.15W程度となり、130ルーメン/Wの発光効率とすれば、全光量は7.8〜19.5ルーメンとなる。1/2ビーム角3度で全光量7.8ルーメンの100m先の照度は0.4ルクス、同じく19.5ルーメンの照度は0.9ルクスである。これでは、サーチライトとしては暗い。
10…n型半導体基板、11…誘電体層、12…n型半導体層、13…発光層、
14…p型半導体層、15…n側電極、15a…Ti層、15b…Ag層、
16…n側パッド電極、16a…密着層、16b…バリアメタル、16c…パッド層、
17…p側電極、18…p側パッド電極、19…絶縁膜、20…n側電極、
20a…Ti層、20b…Ag層、21…パッド電極、21a…密着層、
21b…バリアメタル、21c…パッド層、22…p側電極、
100…LED照明装置、110…LED光源、110a…光軸、111…銅ブロック、
112…絶縁層、113A…n側電極、113B…n側リード、
114A…p側電極銀メッキ層、114B…p側リード、115…ボンディングワイヤ、
116…放熱性絶縁シート、117…放熱器、118…透明基板、130…光学部材、
131…第1の整形レンズ、131a…入射面、131b…出射面、
132…第2の整形レンズ、132a…基準面、132b…入射面、132c…反射面、
132d…出射面、132e…凹部、132f…連通部、132g…傾斜面、
230…光学部材、231…基準面、232…反射面、233…対向面、234…側面
Claims (10)
- 基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が0.12W以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が0.6W/mm2以上である、LED照明装置。 - 基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が0.12W以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が0.6W/mm2以上である、LED照明装置。 - 基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成され、青色系の光を発する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの光を励起光として黄色系の光を発する蛍光体と、
前記半導体発光素子が発した前記青色系の光と前記蛍光体が発した前記黄色系の光の混合光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全光束が24(lm)以上、かつ、前記全光束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した光束密度が120(lm)/mm2以上である、LED照明装置。 - 前記狭角光は、1/2ビーム角が1.5度以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載のLED照明装置。
- 前記光学部材から出射された光の光束を前記光学部材に入射された前記光の光束で除した光利用効率が、1/10ビーム角において40%以上である、請求項1から4のいずれか1項に記載のLED照明装置。
- 前記狭角光は、150m先の面において照度2ルクス以上である、請求項1から5のいずれか1項に記載のLED照明装置。
- 前記光学部材は、前記半導体発光素子の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第1の整形部と、前記半導体発光素子から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面が円柱状を有し、前記入射面に入射した前記周辺光束を平行光に整形する第2の整形部と、を備えた請求項1から6のいずれか1項に記載のLED照明装置。
- 前記半導体発光素子は、
n型半導体基板と、
前記半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、前記n型半導体基板との屈折率の差が0.15以下である誘電体層と、
前記n型半導体基板上に前記誘電体層を介して形成され、前記誘電体層、及び前記n型半導体基板の表面の前記誘電体層に覆われていない部分に接触するn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたp型半導体層と、
前記n型半導体基板の前記誘電体層が形成された面と反対側に形成されたn型電極と、
前記p型半導体層上に形成されたp型電極とを備えた、請求項1から7のいずれか1項に記載のLED照明装置。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載のLED照明装置を備えた投光器。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載のLED照明装置を備えたヘッドライト。
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JP2021027193A (ja) * | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 日機装株式会社 | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
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