JP2017220578A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体発光素子を含む半導体発光装置において生じうるダークラインおよびクロストーク光を抑制する。【解決手段】当該半導体発光装置は、基板上に、一定の方向に並んで配列する複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子の上方に配置され、該半導体発光素子の配列方向と交差する方向に延伸し、該半導体発光素子の配列方向に沿う方向に、該半導体発光素子の各々の間隔よりも狭い間隔で配列する複数の遮光壁と、を有する。【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の半導体発光素子を含む半導体発光装置に関する。

ＧａＮ等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外光ないし青色光を発光することができ、さらに蛍光体を利用することにより白色光を発光することができる（たとえば特許文献１，２）。このような半導体発光素子は、照明器具、より具体的には、車両用灯具などに利用することができる。

近年、車両用前照灯（ヘッドライト）において、前方の状況、すなわち対向車や前走車などの有無およびその位置に応じて、リアルタイムに配光形状を制御する技術が注目されている。このような技術は、一般に、ＡＤＢ（アダプティブ・ドライビング・ビーム）ないしＡＦＳ（アダプティブ・フロントライティング・システム）などと呼ばれる。ＡＤＢないしＡＦＳには、たとえば、それぞれ独立にＯＮ／ＯＦＦ制御することができる複数の半導体発光素子が用いられる。

特開２０１４−１９７６９０号公報 特開２０１５−０８４３７４号公報

本発明の主な目的は、複数の半導体発光素子を含む半導体発光装置において生じうる暗線（ダークライン）およびクロストーク光を抑制することにある。

本発明の主な観点によれば、基板上に、一定の方向に並んで配列する複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子の上方に配置され、該半導体発光素子の配列方向と交差する方向に延伸し、該半導体発光素子の配列方向に沿う方向に、該半導体発光素子の各々の間隔よりも狭い間隔で配列する複数の遮光壁と、を有する半導体発光装置、が提供される。

半導体発光装置で生じうるダークラインおよびクロストーク光を抑制する。

、および 図１Ａおよび図１Ｂは、参考例による半導体発光装置を概略的に示す断面図および平面図であり、図１Ｃ〜図１Ｅは、当該半導体発光装置から出射される光をスクリーン上に投影した際の投影像を示す平面図であり、図１Ｆは、参考例による半導体発光装置の変形例を概略的に示す断面図である。 図２Ａは、実施例による半導体発光装置を概略的に示す平面図であり、図２Ｂは、当該半導体発光装置を構成する光学部材（格子状遮光壁）を概略的に示す平面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、実施例による半導体発光装置を概略的に示す断面図である。 実施例による半導体発光装置（特に光学プレート）を製造する様子を示す断面図である。

最初に、図１を参照して、本発明者らが検討を行った参考例による半導体発光装置（ＬＥＤ装置）について説明する。便宜のため、水平面を構成するＸ軸およびＹ軸、ならびに、それらＸ軸，Ｙ軸と直交するＺ軸からなるＸＹＺ直交座標系を設定する。

図１Ａおよび図１Ｂは、参考例によるＬＥＤ装置９９を示す断面図（ＸＺ断面）および平面図である。なお、図中に示される各構成要素の相対的なサイズ・位置関係などは、実際のものとは異なっている。

図１Ａに示すように、ＬＥＤ装置９９は、マウント基板１０と、マウント基板１０上にマウントされる複数の半導体発光素子（ＬＥＤ素子）２０と、ＬＥＤ素子２０上に載置される波長変換プレート３０と、を含む。ＬＥＤ装置９９は、たとえば、特願２０１５−２０９５１０に記載されるＬＥＤ装置（特にＬＥＤ素子の構造・配置）が想定される。

マウント基板１０は、シリコン基板などの支持基板１２と、支持基板１２表面に設けられた配線層１４と、を含む。配線層１４は、ＬＥＤ素子２０の各々に電気的に接続する複数の配線を含む。

複数のＬＥＤ素子２０は、たとえばＧａＮ（窒化ガリウム）を含む。ＬＥＤ素子２０の各々には、配線層１４を介して、外部電源から電力が供給される。

波長変換プレート３０は、蛍光体材料を含有する樹脂部材からなる。蛍光体材料には、たとえばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が用いられる。

図１Ｂに示すように、ＬＥＤ装置９９は、たとえば６つのＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆを具備する。ＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆは、たとえば、それぞれ一辺３００μｍの正方形の平面形状を有し、２×３の行列状に配列する。Ｘ軸方向（行方向）に配列するＬＥＤ素子２０の間隔Ｂｘは、たとえば８０μｍであり、Ｙ軸方向（列方向）に配列するＬＥＤ素子２０の間隔Ｂｙは、たとえば６０μｍである。

配線層１４を介して、ＬＥＤ素子２０に電力を供給すると、その上面から、たとえば青色光が放出される。その光の一部は、波長変換プレート３０を透過して、その上面から出射される。また、その他の一部は、波長変換プレート３０中の蛍光体材料により、たとえば黄色光に変換されて、波長変換プレート３０の上面から出射される。結果的に、ＬＥＤ装置９９は、青色光および黄色光の合成として、白色光を出射する。

このようなＬＥＤ装置９９は、光学レンズ等の光学系と組み合わせて、たとえば車両用前照灯（ヘッドライト）に用いることができる。

図１Ｃ〜図１Ｅは、ＬＥＤ装置９９から出射される光を、所定の光学系を介して、スクリーン上に投影した際の投影像２２を示す平面図である。投影像２２ａ〜２２ｆは、それぞれＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆから放出された光の像に対応する。

ＬＥＤ装置９９を車両用前照灯に用いた場合、ＬＥＤ装置９９から出射される光の投影像２２ａ〜２２ｆは、図１Ｃに示すように、相互に離れず、また、重ならないことが好ましい。

ＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆ各々の間隔Ｂｘ，Ｂｙ（図１Ｂ参照）が広すぎると、図１Ｄに示すように、投影像２２ａ〜２２ｆ各々の間隔も広くなってしまい、結果として、投影像２２の間隙に格子状の暗線（ダークライン）Ｌが視認されうる。ＬＥＤ装置９９を車両用前照灯に用いる場合、このようなダークラインは抑制されることが望ましい。したがって、ＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆ各々の間隔Ｂｘ，Ｂｙ（図１Ｂ参照）は、比較的狭くすることが好ましい。

一方で、ＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｆ各々の間隔Ｂｘ，Ｂｙ（図１Ｂ参照）が狭すぎると、図１Ｅに示すように、投影像２２ａ〜２２ｆが相互に重なる（クロストーク光Ｃが生じる）可能性がある。ＬＥＤ装置９９を車両用前照灯に用いる場合、このようなクロストーク光も抑制されることが望ましい。

図１Ｆは、ＬＥＤ装置９９の変形例を示す断面図である。クロストーク光を抑制する方法として、ＬＥＤ素子２０各々の間隙に遮光壁４０を配置する方法が考えられる。この遮光壁４０により、ＬＥＤ素子２０各々から放出される光の、水平方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）への広がりが抑制され、その結果、投影像２２各々の相互の重なり（クロストーク光）も抑制される。

しかし、μｍオーダーのＬＥＤ素子２０各々の間隙に、その間隙よりも狭い幅を有する遮光壁４０を正確に配置することは、一般に、容易であるとは言い難い。ＬＥＤ素子２０各々の間隔がたとえば１００μｍ以下になると、その困難性はさらに増大するであろう。ＬＥＤ素子２０各々から放出される光の、水平方向への広がりを、より容易に抑制する手段が望まれる。

以下、図２および図３を参照して、実施例によるＬＥＤ装置について説明する。

図２Ａは、実施例によるＬＥＤ装置９０を示す平面図である。参考例によるＬＥＤ装置９９と同様に、実施例によるＬＥＤ装置９０も、マウント基板１０、マウント基板１０上にマウントされる複数のＬＥＤ素子２０、および、ＬＥＤ素子２０上に載置される波長変換部プレート３０、を含む。実施例によるＬＥＤ装置９０は、さらに、波長変換プレート（波長変換部材）３０に埋設される光学部材３２を含む。波長変換部材３０および光学部材３２を、まとめて、光学プレート３９と呼ぶこととする。

図２Ｂは、波長変換部材３０に埋め込まれる光学部材３２を示す平面図である。光学部材３２は、Ｙ軸方向に延伸し、Ｘ軸方向に配列する光反射壁３２ｘと、Ｘ軸方向に延伸し、Ｙ軸方向に配列する光反射壁３２ｙと、を含み、全体として、格子状の平面形状を有する。光学部材３２（光反射壁３２ｘ，３２ｙ）は、たとえばＡｌ（アルミニウム）からなる。

光反射壁３２ｘは、Ｘ軸方向のＬＥＤ素子の配列方向と交差する方向（ここではＹ軸方向）に延伸し、Ｘ軸方向のＬＥＤ素子の配列方向に沿う方向（ここではＸ軸方向）に、当該ＬＥＤ素子の間隔Ｂｘよりも狭い間隔Ｇｘで配列する。一方、光反射壁３２ｙは、Ｙ軸方向のＬＥＤ素子の配列方向と交差する方向（ここではＸ軸方向）に延伸し、Ｙ軸方向のＬＥＤ素子の配列方向に沿う方向（ここではＹ軸方向）に、当該ＬＥＤ素子の間隔Ｂｙよりも狭い間隔Ｇｙで配列する。

光学部材３２は、全体として、たとえば、厚み・高さ（Ｚ軸方向）が２０μｍ程度であり、Ｘ軸方向の長さ・幅が１１４０μｍ程度であり、Ｙ軸方向の長さ・幅が１０２０μｍ程度である。光反射壁３２ｘの幅Ｗｘは、たとえば５μｍ程度であり、間隔Ｇｘは、たとえば２０μｍ程度である。同様に、光反射壁３２ｙの幅Ｗｙは、たとえば５μｍ程度であり、間隔Ｇｙは、たとえば２０μｍ程度である。

図３Ａおよび図３Ｂは、ＬＥＤ装置９０を示す断面図（ＸＺ断面）である。上述したように、ＬＥＤ装置９０は、マウント基板１０、マウント基板１０上にマウントされる複数のＬＥＤ素子２０、および、ＬＥＤ素子２０上に載置される光学プレート３９（波長変換部材３０および光学部材３２）、を含む。光学部材３２は、波長変換部材３０中に埋設されている。言い換えれば、光学部材３２を構成する光反射壁の間隙に、波長変換部材３０が充填されている。

図３Ａに示すように、光反射壁３２ｘ（光学部材３２）は、波長変換部材３０中において、Ｘ軸方向に周期的に配列している。光反射壁３２ｘ各々の間隔Ｇｘは、Ｘ軸方向に周期配列するＬＥＤ素子２０の間隔Ｂｘよりも狭い。このため、Ｘ軸方向に配列するＬＥＤ素子２０の間隙に対応する位置には、少なくとも１つの光反射壁３２ｘが配置される。

光反射壁３２ｘは、ＬＥＤ素子２０の上面から放出される光の、水平方向（ここではＸ軸方向）への広がりを抑制する。特に、ＬＥＤ素子２０の間隙に位置する光反射壁３２ｘは、隣接するＬＥＤ素子（ＬＥＤ素子２０ａ，２０ｂないしＬＥＤ素子２０ｂ，２０ｃ、ならびに、ＬＥＤ素子２０ｄ，２０ｅないしＬＥＤ素子２０ｅ，２０ｆ、図２Ａ参照）から放出される光の重畳（クロストーク光）を抑制する。

図３Ｂに示すように、光学プレート３９がＸ軸方向において偏って（ずれて）配置されたとしても、光反射壁３２ｘ各々の間隔ＧｘがＬＥＤ素子２０の間隔Ｂｘよりも狭いため、ＬＥＤ素子２０の間隙に対応する位置には少なくとも１つの光反射壁３２ｘが配置される。この間隙に位置する光反射壁３２ｘにより、隣接するＬＥＤ素子から放出される光の重畳は抑制される。

同様に、Ｙ軸方向に周期配列する光反射壁３２ｙの間隔Ｇｙも、Ｙ軸方向に周期配列するＬＥＤ素子２０の間隔Ｂｙよりも狭い。このため、光学プレート３９がＹ軸方向において偏って（ずれて）配置されたとしても、Ｙ軸方向に配列するＬＥＤ素子２０の間隙に対応する位置には、少なくとも１つの光反射壁３２ｙが配置される。この間隙に位置する光反射壁３２ｙにより、隣接するＬＥＤ素子（ＬＥＤ素子２０ａ，２０ｄ、および、ＬＥＤ素子２０ｂ，２０ｅ、および、ＬＥＤ素子２０ｃ，２０ｆ、図２Ａ参照）から放出される光の重畳は抑制される。

このような光反射壁３２ｘ，３２ｙを含む光学プレート３９を用いれば、ＬＥＤ素子２０上に光学プレート３９を偏って配置したとしても、ＬＥＤ素子２０から放出される光の、水平方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）への広がりを抑制することができる。つまり、より容易に、ＬＥＤ素子から放出される、水平方向に広がる光を抑制することができ、隣接するＬＥＤ素子から放出される光の重畳（クロストーク光）を抑制することができる。

光反射壁３２ｘ，３２ｙは、光学プレート３９の光出射面にまで達しないように設けられている。これにより、光反射壁の上部にも光が一部伝播するため、光反射壁上方がダークラインとなるのを防止する。光反射壁の上面と光学プレート３９（ないし波長変換部材３０）の光出射面とのギャップ（距離）は、光学プレート３９（ないし波長変換部材３０）に含有される蛍光体粒子の平均サイズよりも大きい。

なお、ＬＥＤ素子２０が、たとえばＸ軸方向に一列に（一次元的に）配列する場合、つまりＬＥＤ素子２０ａ〜２０ｃのみ（ないしＬＥＤ素子２０ｄ〜２０ｆのみ）が配列する場合には、光反射壁３２ｙは不要であり、光反射壁３２ｘのみ備えていればよい（図２Ｂ参照）。この場合、光学部材３２は、全体として、縞状の平面形状となる。また、光学部材の全体的平面形状は、（四角）格子状や縞状に限らず、三角格子状や蜂の巣状（ハニカム状）などでもよい。

さらに、光学部材３２は、遮光性を有する部材であれば、どのような部材を用いてもかまわない。ただし、光取出し効率（ＬＥＤ素子から放出される光に対するＬＥＤ装置から出射される光の割合）向上の観点から、吸光性を有する部材よりも、光反射性を有する部材を用いることが好ましいであろう。

ＬＥＤ装置から白色光を出射させる必要がない場合、たとえばＬＥＤ素子から放出される光（青色光）をそのまま出射させる場合には、波長変換部材を、蛍光体材料を含有しない透光性樹脂部材に代替してもよい。

以下、図４を参照して、実施例によるＬＥＤ装置（特に光学プレート）の製造方法について簡単に説明する。ＬＥＤ素子については、市販されているものを用いてもよいし、一般に知られた方法により製造してもかまわない。また、上述した特願２０１５−２０９５１０に基づいて準備することもできる。

図４Ａおよび図４Ｂは、光学プレート３９を構成する光学部材３２を作製する様子を示す断面図である。まず、サファイア基板５０を用意する。

図４Ａに示すように、フォトリソグラフィ法により、基板５０上に、所望形状のレジストパターン５２を形成する。続いて、真空蒸着法などにより、レジストパターン５２上およびレジストパターン５２が設けられていない基板５０上に、Ａｌ薄膜３２ａを形成する。

図４Ｂに示すように、レジスト剥離液などを用いて、レジストパターン５２を除去する（リフトオフ法）。このとき、レジストパターン５２とともに、その上に設けられた薄膜３２ａも除去され、基板５０上に、薄膜３２ａの一部、つまり光学部材３２が残される。光学部材３２は、たとえば格子状の平面形状を有する（図２Ｂ参照）。

その後、基板５０側からレーザ光を照射して、基板５０と接触する光学部材３２の一部を除去（溶融・蒸発）し、光学部材３２と基板５０とを分離する（レーザリフトオフ法）。これにより、光学部材３２が得られる。

なお、このような光学部材は、微細加工用ドリルを用いて、１枚板から削り出しによって作製することもできる。幅１０μｍ程度の光反射壁が、間隔６５μｍ程度で配列する光学部材であれば、１枚のＡｌ板（板厚２０μｍ程度）から、削り出しなどの機械加工によって作製することもできる。

図４Ｃおよび図４Ｄは、作製した光学部材３２を波長変換部材３０に埋設する様子を示す断面図である。図４Ｃに示すように、予め用意した波長変換部材（蛍光体シートなど）３０に熱を加えながら、光学部材３２を当該波長変換部材３０内に押し込んで、光学部材３２を波長変換部材３０中に埋設することができる。また、図４Ｄに示すように、光学部材３２が収められた容器５６内に、蛍光体材料（ＹＡＧ）が混合した樹脂を流し込み、その後、当該樹脂を硬化させることでも光学プレート３９を作製することができる。

このように作製された光学プレート３９を、ＬＥＤ素子２０に載置することにより、実施例によるＬＥＤ装置９０が得られる。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

１０…マウント基板、１２…支持基板、１４…配線層、２０（２０ａ〜２０ｆ）…半導体発光素子、２２…投影像、２２（２２ａ〜２２ｆ）…ｎ型半導体層、３０…波長変換部材（プレート）、３２…光学部材（光反射壁）、３９…光学プレート、４０…遮光壁、６０…導電層、５０…サファイア基板、５２…レジストパターン、５６…容器、９０…半導体発光装置（実施例）、９９…半導体発光装置（参考例）。

Claims (5)

1. 基板上に、一定の方向に並んで配列する複数の半導体発光素子と、
   前記複数の半導体発光素子の上方に配置され、該半導体発光素子の配列方向と交差する方向に延伸し、該半導体発光素子の配列方向に沿う方向に、該半導体発光素子の各々の間隔よりも狭い間隔で配列する複数の遮光壁と、
   を有する半導体発光装置。
2. さらに、前記遮光壁の各々の間隙に充填される樹脂部材と、を有する請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記樹脂部材は、蛍光体材料を含有する請求項２記載の半導体発光装置。
4. 前記遮光壁は、光反射性を有する請求項１〜３いずれか１項記載の半導体発光装置。
5. 前記半導体発光素子の各々の間隔は、１００μｍ以下である請求項１〜４いずれか１項記載の半導体発光装置。

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