JP4823300B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子からの励起光により蛍光体を発光させる半導体発光装置に係り、特に、高出力半導体発光素子を用いた半導体発光装置に関する。

近年、ＧａＮ系III族窒化物半導体を用いた近紫外、青紫、青色等を発光する半導体発光素子を励起光源とし、この励起光の一部または全てを蛍光体により異なる波長の光に変換することで白色光を発生させる小型の半導体発光装置からなる固体白色光源に注目が集まっている。このように半導体発光素子を励起光源とする固体白色光源は、低消費電力、長寿命といった特徴を有しているので、一般照明、車載照明、液晶バックライト用光源などの分野で利用されている。

こうした半導体発光素子と蛍光体の組み合わせによる固体白色光源において、励起光源としての半導体発光素子は、一般に低価格な発光ダイオード（ＬＥＤ）が採用される傾向にある（例えば、特許文献１参照）。ただし、現状のＬＥＤ励起白色光源を利用して、蛍光灯や白熱灯などの一般照明と同等以上の明るさを得ようとすると、複数個のＬＥＤ励起白色光源が必要になる。このため、１チップの出力を高くする目的での大面積ＬＥＤの開発や、発光効率及び出力の向上、モジュールサイズの小型化、演色性向上、さらには色むらの低減などの特性向上に向けた検討が続けられている（例えば、特許文献２参照）。

一方、高出力化の観点から、ＬＥＤではなくレーザダイオード（ＬＤ）を、固体白色光源の励起光源とすることが考えられる。ＬＤはＬＥＤと比較して、高出力で、高電流注入時の変換効率が高いため、小型で高出力な固体白色光源を実現することが期待できる。

しかし、高出力半導体発光素子を励起光源とした場合、動作時の発熱が影響して、半導体発光素子や蛍光体の特性が低下するという問題があり、実際には、ＬＥＤではあるが高出力半導体発光素子を励起光源とした場合の放熱性を考慮した構造の検討も進められている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、前述のように、一般的な固体白色発光装置においては励起光源として低電流駆動のＬＥＤを用いることが主流であるため、高出力半導体発光素子、特に駆動電流値が大きいＬＤを発光素子とした場合に、発熱の影響がどの程度なのかという検討はほとんど行われていない。
特開２００３−１４２７３７号公報 特開２００４−１１９６３４号公報 特許第２９２７２７９号

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされ、高出力の半導体発光素子からの励起光により励起された蛍光体の発熱による温度上昇を抑制し、大幅な変換効率の低下や変質を回避することの可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、半導体発光素子として半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光によって励起される蛍光体を含有する蛍光体層とを具備し、前記励起光の光路は広がり角を有し、前記蛍光体層は、前記励起光の光路断面の大きさより小さい領域内に断面を有するように形成され、前記蛍光体層の少なくとも一部に接して、前記蛍光体層よりも熱伝導係数の高い放熱材が配置されていることを特徴とする半導体発光装置を提供する。

以上の本発明の一態様に係る半導体発光装置において、半導体発光素子として複数の半導体レーザを用いることが出来る。

蛍光体層は、半導体発光素子からの最大励起光密度が１０００ｍＷ／ｍｍ^２以下の領域に形成することが出来る。

半導体発光素子として、III族窒化物化合物半導体を材料とする半導体発光素子を用いることが出来る。

蛍光体層からの発光の少なくとも一部を、可視光とすることが出来る。

放熱材を金属とすることが出来る。

蛍光体層中の蛍光体の体積濃度が、半導体発光素子の近傍では低く、遠い領域では高い濃度分布とすることが出来る。

半導体発光素子から光路方向１ｍｍ以内に、蛍光体を含まない層を設けることが出来る。

蛍光体層の母材として、透光性の樹脂、ガラス、焼結体又はセラミックス系材料のいずれかを用いることが出来る。

蛍光体として、ケイ酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、ＹＡＧ系蛍光体材料、リン酸塩ホウ酸塩系蛍光体材料、又はハロリン酸塩系蛍光体材料のいずれかを用いることが出来る。

また、蛍光体として、青色発光蛍光体材料、緑色発光蛍光体材料、黄色発光蛍光体材料、赤色発光蛍光体材料、又は白色発光蛍光体材料のいずれかを用いることが出来る。

蛍光体層を、励起光の光路方向に長い円柱状とすることが出来る。

蛍光体層を、半導体発光素子からの励起光の光路に近似し、励起光の光路方向に長い円錐状とすることが出来る。

励起光が入射する蛍光体層の端面の形状を凸レンズ形状とすることが出来る。

半導体発光素子と蛍光体層との間に、蛍光体層の屈折率よりも小さい屈折率を有する材料からなる層を設けることが出来る。

また、前記半導体発光素子を直方体状筐体内に配置し、前記半導体発光素子の励起光射出面に対向する前記直方体状筐体の壁体を前記放熱材により形成し、前記壁体の励起光の入射領域にスリットを形成し、このスリット内に前記蛍光体層を設けた構成とすることが出来る。

以上のように、本発明によると、高出力の半導体発光素子からの励起光により励起された蛍光体の発熱による温度上昇を抑制し、大幅な変換効率の低下や変質を回避することの可能な半導体発光装置が提供される。これにより小型化、高出力動作が可能な固体白色光源の実現が可能になる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明者らは、鋭意研究した結果、ＬＤを励起光源とする固体白色光源においては、従来考えられてきた励起光源である半導体発光素子からの発熱の他に、高出力なＬＤ光によって強力に励起された蛍光体からの発熱量が大きく、蛍光体並びに蛍光体を含有する母材の温度が上昇し、蛍光体の特性の低下や、更には蛍光体の劣化や破壊といった深刻な問題を引き起こすことを見出した。

以下、本発明者らが見出した、上記発熱の問題について説明する。

ＬＥＤを半導体励起光源とし、蛍光体による波長変換をもって白色光を得る従来の固体白色光源では、ＬＥＤの周囲は蛍光体を含有する層で覆われている。ＬＥＤから発せられた光の一部または全ては、周囲の蛍光体によって波長変換され、素子外部に白色光を発する。この時、ＬＥＤとしては近紫外、青紫又は青色のIII族窒化物系ＬＥＤが用いられるのが一般的である。ＬＥＤの下部には、駆動時のＬＥＤが発する熱を放熱する放熱材が備えられている。ＬＥＤの動作電流は１０〜４０ｍＡ、その際のＬＥＤ光の出力は１０〜３０ｍＷ程度であるのが一般的である。

このように低駆動電流、低出力であるＬＥＤを励起光源とした発光装置であっても、駆動時のＬＥＤからの発熱は無視できず、ＬＥＤと蛍光体の発光効率を低下させる可能性がある。そのため、発光効率を保持するために、ＬＥＤ下部には放熱構造が適用されている。また、ＬＥＤから発生した熱が蛍光体層に伝播し、特性を低下させるのを避ける目的で、ＬＥＤ直近は蛍光体を含まない透明樹脂で覆い、ＬＥＤから数ｍｍ離れた位置に蛍光体層を配置する手法も一般的である。

以上のように、従来のＬＥＤ励起光源では、ＬＥＤからの発熱に関しては数多くの対策が検討されてきた。

ところでこの場合、例えばＬＥＤから３ｍｍ離れた位置にある蛍光体層に対する、ＬＥＤ光の光出力密度は、ＬＥＤの出力光が全方位に出射されることを考慮すると、約０．５ｍＷ／ｍｍ^２となる。こうした弱い光出力密度で蛍光体が励起されている限りでは、本発明が解決すべき課題として後述する、蛍光体自身からの発熱は極微細である。このため、従来の低出力ＬＥＤ励起光源では、この蛍光体層からの発熱に対する検討はほとんど行われてこなかった。しかし、励起光源がＬＤなどの高出力光源である場合には、蛍光体からの発熱量は増大し、素子の特性に深刻な影響を与えることを本発明者らは見出した。

蛍光体は、励起光源からの励起光を吸収し、他波長に変換して放出する物質である。蛍光体の変換効率は、励起光に対する吸収率、内部量子効率、ストークスシフトにより決定される。ここで、内部量子効率は、吸収した励起光をどれだけの割合で他波長に変換できるかを表しており、一般的には５０〜８０％の内部量子効率を有する蛍光体が利用される。この時、他波長に変換されなかった残りの２０〜５０パーセントの励起光は、主に熱エネルギーとなり、損失となる。

以上のようなＬＥＤ励起白色光源の例で言えば、仮に１０〜４０ｍＷの励起光が全て蛍光体に吸収されたとして、蛍光体の内部量子効率が８０％と仮定すると、残りの２０%は熱損失となるため、励起されている蛍光体層で２〜８ｍＷの熱量が生じることになる。ＬＥＤ光は全方位に出射されているので、励起されている蛍光体層はドーム状に存在し、計算によるとこの熱量による蛍光体層の温度上昇は３℃以下である。即ち、この程度の温度変化であれば素子の特性にはほとんど影響はない。

しかしながら、光源が高出力である場合には、影響は深刻なものになる。以下、上記ＬＥＤ励起白色光源の励起光源をＬＥＤからＬＤに置き換えたケースを想定して説明する。

励起光源としてＬＤを用いた白色発光装置の構造は、励起光源としてＬＥＤを用いた白色発光装置の構造と同様であり、励起光源だけがＬＥＤから、近紫外、青紫又は青色発光のIII族窒化物ＬＤに置き換わっており、その周囲は蛍光体を含有する層で半球状に覆われている。ＬＤの下部には放熱材が配置されており、ＬＤ自体からの発熱は十分に放熱できるように設計されている。

白色光源として使用する観点でのＬＤの動作電流は２００〜１５００ｍＡであり、その際のＬＤ光出力は２００〜３０００ｍＷであることが多い。上記例と同じく、ＬＤ光は全て励起光として吸収され、蛍光体の内部量子効率が８０％であれば、励起されている蛍光体層全体で、約４０〜６００ｍＷの熱量が生じることになる。ＬＤ光は指向性を持ち、素子端面から狭い広がり角を持って射出される。このため、ＬＤ光によって励起されている蛍光体層は円錐状様に存在する。

本実施形態で使用しているＬＤ光の広がり角を光出力分布の半値全幅で表すと、縦方向約２０度、横方向約４０度である。この形状で励起されている蛍光体層におけるＬＤ光の光出力密度は、およそ２０〜４０００ｍＷ／ｍｍ^２であり、前述したＬＥＤによる励起と比較して、非常に強く励起されていることがわかる。計算によると、この時、励起された蛍光体から生じた熱量によって、励起されている蛍光体層の温度は、約５０〜８００℃となった。

蛍光体は一般的に、温度が上昇すると変換効率が低下する。その程度は蛍光体によってさまざまであるが、多くの場合、温度が１００℃上昇すると変換効率は２割以上低下する。もし温度が３００℃も上昇すれば、変換効率が５〜８割以上低下する蛍光体も多い。また、温度が３００℃を超えるような場合には、蛍光体を含有する母体である樹脂の性質変化や、劣化、破壊を招く恐れも生じる。以上のことから、蛍光体層の温度が、数百度も上昇するような場合、素子としての効率が著しく低下する、さらには蛍光体層の変質、劣化が生じうる。即ち、上述した構成で、ＬＤ励起白色光源を高出力に駆動し、高出力な白色光を得るのは困難であるとわかる。

このように、出力が大きい励起光源を用いる場合、励起された蛍光体から生じる熱量が、蛍光体層の大幅な温度上昇を招き、素子特性に深刻な影響を与えるという深刻な問題が生じることを本発明者らは見出した。

以下、本発明が提供する手段によって、どのように課題を解決するのかを、図面を用いて説明する。

上述したように、従来、ＬＥＤ励起白色光源などで一般的に用いられている構造で、ＬＤ励起白色光源を作製しても、蛍光体層の温度上昇が大きく、大幅な特性劣化や、材料の変質、破壊を招くため、高出力、高効率に動作させることは困難であった。

このように、ＬＤを励起光源とする固体白色光源において新しい知見として得られた、上記発熱と温度上昇の問題点を解決するためには、従来から大きな課題であると考えられてきた励起光源の放熱性を十分にすることは勿論、新たな発熱源であることが判明した蛍光体層の放熱性を十分にすることが必要である。この目的を考慮して、本発明者らは、図１に示すような半導体発光装置の構造を考えた。

即ち、図１に示す半導体発光装置では、励起光源としてＬＤ１１を用い、その周囲に蛍光体層１２が設けられ、その上面を除く面が放熱ブロック１３により覆われた構造を有する。即ち、放熱材からなる放熱ブロック１３の上面に、半球状の凹部が形成され、その凹部内の中央に励起光源としてのＬＤ１１が配置され、その周囲で凹部内に蛍光体層１２が充填されている。

本発明者らは、図１に示すような構造の励起光源としてＬＤ１１を用いる半導体発光装置においても、蛍光体層の動作時温度を低減できることを確認している。しかし、このような構造では、励起光源を高出力で駆動した時の蛍光体層の動作温度の低減効果は不十分であり、２００℃を超え、素子の効率は著しく低下してしまった。

本発明者らは、熱伝導係数の低い蛍光体層と、熱伝導係数の大きい放熱材との位置関係を検討し、鋭意研究した結果、蛍光体層を励起光の光路中又はその近傍のみに形成することで、励起されている蛍光体層の温度上昇を大幅に抑制できることを見出した。

図２に、本発明者らが見出した、蛍光体層の太さと、蛍光体層の温度、並びに素子の変換効率（素子の動作温度が室温の場合との比）の関係を示す。前述したように、励起光源が高出力ＬＤのような、励起光が高出力な場合では、蛍光体層からの発熱が大きく、蛍光体層の温度が著しく上昇するために、素子の変換効率が低下する。図２は、光出力２ＷのＬＤを励起光源にし、周囲に熱伝導係数の大きな放熱材を具備してある蛍光体層を励起することで白色光を得る発光素子において、蛍光体層の太さを変えた際の蛍光体層の温度と、その動作温度での変換効率をグラフにしたものである。

図２には、ＬＤ端面からの距離が２ｍｍにある位置の温度と変換効率を、それぞれ◆と◇のラインで示し、ＬＤ端面からの距離が４ｍｍである位置の温度と変換効率を、それぞれ▲と□のラインで示している。この時、ＬＤ端面からの距離が２ｍｍの位置においては、蛍光体層の太さが約１．２ｍｍ（垂直線で示す）の時、励起光の光路の太さと、蛍光体層の太さが一致する。同様に、ＬＤ端面からの距離が４ｍｍの位置においては、蛍光体層の太さが約２．５ｍｍ（垂直線で示す）の時、励起光の光路の太さと、蛍光体層の太さが一致する。図３に、この検討に使用したＬＤ励起白色光源の模式図を示す。

図３に示す半導体発光装置では、励起光源としてＬＤ１１を用い、その光路に沿って細長い蛍光体層１２が設けられ、その上面を除く面が放熱ブロック１３により覆われた構造を有する。即ち、放熱材からなる放熱ブロック１３の上面に、細長い半円柱状又はボート状の凹部が形成され、その凹部内の中央に励起光源としてのＬＤ１１が配置され、その周囲で凹部内に蛍光体層１２が充填されている。

図２に示すグラフから、励起光によって励起された蛍光体層１２が発熱し、温度が上昇する様子と程度がわかる。即ち、蛍光体層１２が太いほど、蛍光体層１２の温度は高く、発光装置の変換効率は低い。蛍光体層１２の太さが励起光の光路よりも１ｍｍを越えて太いサイズでは、蛍光体層１２の温度は１００℃を超え、素子の変換効率も著しく低下している。蛍光体層１２が細くなるにしたがって温度上昇は抑制され、発光装置の変換効率の低下も抑制されているが、室温動作時の９割以上の変換効率を保持するには、励起光の光路の太さよりも、さらに蛍光体層１２が細くなることが好ましいことがわかる。

例えば、ＬＤ１１の端面からの距離が２ｍｍである位置では、蛍光体層１２の太さが、励起光光路の約半分の太さである０．６ｍｍの時、発光装置の変換効率が最も高くなている。蛍光体層１２の太さが励起光経路よりも細いと、励起光が蛍光体層１２に入射しづらくなり、蛍光体層１２が十分に励起されないため、発光装置の変換効率は低下するはずである。実際、蛍光体層１２の太さが０．４ｍｍよりも細いサイズでは、発光装置の変換効率は著しく低下している。しかし、本発明者らは、このグラフから明らかなように、蛍光体層１２が励起光の光路以下に細いサイズの時に、素子の変換効率が最も高くなることを見出した。

即ち、本発明の一実施形態に係る発光装置の第１の特徴として、蛍光体層１２が、励起光の光路の内側、即ち、励起光の光路断面の領域内に断面を有するように形成され、その周囲（上面を除く面）に接して、蛍光体層よりも熱伝導係数の高い放熱材が配置してあることがあげられる。このような構造をとることで、高出力な半導体光源を励起光源としても、発光装置を高効率・高出力に動作させることが可能となる。

励起光の光路よりも蛍光体層１２が太く形成してある場合、蛍光体層１２の温度は高くなり、発光装置の変換効率は、蛍光体層１２の太さが太くなるに従い、急激に悪化する。図２に示すグラフから、蛍光体層１２の太さが、励起光よりも１ｍｍを越える場合には、発光装置の変換効率は著しく低くなり、発光装置として高効率に機能させる目的にはそぐわないことがわかる。ただし、励起光の出力が２００ｍＷ〜１Ｗ程度であるような低出力の場合には、蛍光体層１２の太さが増加しても効率はそれほど低くならず、例えば、励起光路よりも２ｍｍ以上太い時に効率が大幅に低下する。励起光の出力が２００ｍＷ程度以下のかなり低い場合には、そもそも蛍光体層の発熱量が少なく、前述したように、このような課題は生じない。

蛍光体層１２の温度上昇は、励起光の光密度に依存する。以上では、励起光源であるＬＤ１１の端面から２ｍｍ、４ｍｍの距離の蛍光体層１２の温度と効率に関して検討したが、もし、蛍光体層１２が存在する位置がＬＤ１１の端面のすぐ傍であれば、励起光密度は格段に大きくなり、前述で説明した蛍光体層１２のサイズでも、蛍光体層１２の温度上昇は抑制しきれず、発光装置の効率は著しく低下する。このため、上記説明した手法によって、発光装置の効率低下を抑制するためには、蛍光体層１２に入射する励起光の励起光密度を制限する必要がある。励起光源である半導体発光素子の出力を抑える方法もあるが、そもそもの主旨は高出力半導体発光素子を励起光源とする白色光源を実現することであるので、好ましくない。

本発明者らの鋭意検討の結果、励起光密度が１０００ｍＷ／ｍｍ^２を超える位置に蛍光体層１２が存在すると、上述した手法では、蛍光体層１２の温度上昇を抑制しきれず、発光装置の変換効率は非常に低いものになることがわかった。そこで、他の実施形態では、励起光密度１０００ｍＷ／ｍｍ^２以下の領域のみに蛍光体層１２を形成することが望ましい。具体的には、励起光源である例えばＬＤ１１の端面のすぐ傍には、蛍光体層１２を形成せず、ＬＤ光の広がりと共に光密度が１０００ｍＷ／ｍｍ^２以下に低下する領域から蛍光体層を形成するという構造が好ましい。

ＬＤ１１の端面の近傍には、蛍光体を含まない層として、例えば、透光性である樹脂、ガラス、焼結体またはセラミックス系材料、空気、水などの層が存在していることが望ましい。ただし、蛍光体層１２とは、これまで説明したとおり、励起光を十分に吸収し、蛍光に伴う発熱が問題になるような蛍光体濃度を有する層であり、わずかな蛍光体しか含有しない層は含まない。蛍光体の含有濃度が非常に低ければ、蛍光も少なく、それに伴う発熱量も微量であるため、そのような層がＬＤ１１の端面近傍に形成されていたとしても、温度上昇の問題は生じない。

このように、蛍光体層１２が励起光光路の内側、かつ、励起光密度が１０００ｍＷ／ｍｍ²以下の領域に形成されている場合の発光装置の構造を設計すると、ＬＤのように励起光の光路に指向性がある場合には、蛍光体層１２の形状を励起光の光路形状に近づける必要がある。

即ち、図１に示すような半球形の蛍光体層の形状よりは、図３に示すような、細長い型の蛍光体層の形状が望ましい。前述したように、ＬＤ光には指向性があり、端面から射出されたＬＤ光は、遠視野像（ファーフィールドパターン：ＦＦＰ）と呼ばれる広がりを持った、円錐状の光路をとる。近紫外、青紫又は青色のIII族窒化物ＬＤでは、一般的に、およそ縦方向約１５〜２５度、横方向約３０〜５０度の広がり角を有する円錐状の領域に、ＬＤ光が特に高密度に存在する。このため、このＬＤ光光路の内側に蛍光体層を配置するためには、半球形よりも細長い型のほうが望ましい。

また、図４に示すように、蛍光体層１２をリボン型の形状にするのがより望ましい。前述したように、励起光光路の内側に蛍光体層１２を配置し、かつ、励起光の入射を阻害しないために細くしすぎないようにするには、蛍光体層１２の形状も光路の形状に合わせて円錐状に近づけることが望ましい。ＬＤ１１は両端面から発光することが可能なので、円錐状のＬＤ光路の内側の領域に対応するリボン型の蛍光体層１１を採用することが望ましい。

ここで説明した例は、ＬＤ１１の両端面からの射出光を利用することを前提にしているが、本発明の主旨によれば、片面からの射出光のみに対応する形状でもよい。

また、ＬＤ光が高密度に存在する光路領域の内側に蛍光体層１２が形成されている形状の例を説明したが、重要なことは高出力密度の励起光で励起されている蛍光体層１２が非常に細く存在し、その周囲に熱伝率が高い放熱材１３が具備されていることで、その趣旨を逸脱しない限り、蛍光体層１２がいかなる形状であってもよい。即ち、例えば励起光光路の内側で、複数領域に分かれた蛍光体層１２を形成していてもよい。

また、放熱材１３の形状も、本発明の趣旨を逸脱しない限り、いかなる形状であっても良い。上記の例では、蛍光体層１２のおよそ半分程度の領域に放熱材１３が接する形の、埋め込み構造を説明したが、例えば放熱材１３が蛍光体層１２中に突出しているような形状でもよい。また、蛍光体層１２のほとんどが放熱材１３で覆われているような形状であっても良い。ただし、本発明は、高出力の半導体発光装置を提供することが前提であるので、蛍光体層１２から生じる光が外部に取り出せないような構造は望ましくない。

また、本発明は高出力密度の励起光で励起された蛍光体層の温度上昇の問題を解決するものであるので、前述したように、本来低出力なはずのＬＥＤを励起光源に適用した場合でも、高出力用ＬＥＤや、複数個のＬＥＤを併用するなどして、励起されている蛍光体層の光出力密度がＬＤ励起の場合に近づく場合には、温度上昇の問題は同様に生じるので、その場合には、本発明は同様に有効である。

前述したように、一般的に使用されているＬＥＤ励起白色光源における、蛍光体層での励起光出力密度は、多くの場合、０．５ｍＷ／ｍｍ^２程度である。一般的なＬＥＤの出力や、蛍光体層の大きさ、動作条件から、ＬＥＤ励起白色光源の励起出力密度の幅はおよそ０．０１〜１０ｍＷ／ｍｍ^２である。この励起光出力密度の範囲であれば、一般的な構造のＬＥＤ励起白色光源であっても、蛍光体の発熱による蛍光体層の温度上昇値はおよそ３℃以下であり、大きな問題は生じない。

一方、高出力ＬＤを励起光源としたＬＤ励起白色光源の場合、光出力密度は前述したようにおよそ２０〜４０００ｍＷ／ｍｍ^２である。このような高出力励起を行うと、前述したように、蛍光体層の温度はおよそ５０〜５００℃上昇する。これらのことから、一般的なＬＥＤ励起白色光源の動作環境では、上述した蛍光体からの発熱問題は素子に大きな影響を与えないが、およそ２００ｍＷ／ｍｍ^２以上の高励起光出力密度で蛍光体を励起する発光装置においては、本発明の提供する手法が有効である。

以下、本発明の種々の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る半導体発光装置は、図３に示すように、励起光源としてＬＤ１１を用い、その光路に沿って細長い蛍光体層１２が設けられ、その上面を除く面が放熱ブロック１３により覆われた構造を有する。即ち、放熱材からなる放熱ブロック１３の上面に、細長い半円柱状又はボート状の凹部が形成され、その凹部内の中央に励起光源としてのＬＤ１１が配置され、その周囲で凹部内に蛍光体層１２が充填されている。

本実施形態において、ＬＤ１１は波長４０５ｎｍの青紫色ＩｎＧａＮ系半導体レーザ、蛍光体層１２は、シリコーン系樹脂からなる母材中に青色発光蛍光体及び黄色発光蛍光体が分散されたもの、放熱ブロック１３の放熱材としてはアルミニウムを使用している。また、本実施形態に係る半導体発光装置から外部に放出される光は、青色と黄色が混合した白色光である。

放熱ブロックの大きさは、幅約５ｍｍ、長さ約１０ｍｍ、高さ約６ｍｍである。また、半円柱状の凹部の寸法は、幅約０．６ｍｍ、長さ約７ｍｍ、高さ約４ｍｍである。ＬＤ１１が配置される凹部の中央部分は、１ｍｍほどの高さの搭載台（図示せず）が形成されており、遠視野像に従って上下に広がる性質を有するＬＤ光の光路を放熱ブロック１３が阻害しないように設計されている。また、搭載台はＬＤ１１からの発熱を放熱する機構も備えている。

放熱ブロック１３内にはＬＤ１１に接続されたｎ・ｐ電極（図示せず）が配置されており、ＬＤ１１に通電し、駆動させることを可能としている。これらＬＤ搭載台、ＬＤ１１、及び電極などは全て、凹部内に充填されている半円柱状の蛍光体層１２内に埋め込まれている。

蛍光体層１２は、蛍光体が分散されたシリコーン系樹脂からなるが、ＬＤ１１の端面からの距離が１ｍｍ以上の領域において存在すればよく、即ち、ＬＤ１１の端面近傍１ｍｍ以内の範囲は、蛍光体を含まないシリコーン樹脂層とすることが出来る。

蛍光体層１２の埋め込み高さは、詳しくは後述するが、上下に広がるＬＤ光の光路と同じ高さ、幅になるよう設計される。本来、ＬＤ光は非常に遠距離まで到達するが、本実施形態においては、励起光を吸収する蛍光体層１２の中を進行するため、ＬＤ１１の端面から射出されたＬＤ光は蛍光体層１２の途中で全て吸収され、蛍光体層１２の端部まで到達しない。このため、蛍光体層１２の埋め込み高さは、凹部を完全に埋め込み、放熱ブロック１３の表面と同じ高さまで形成すれば、ＬＤ光が外部に漏れることはなく、安全である。また、そのように白色発光装置として駆動するために、蛍光体層を１２は、ＬＤ光の出力を全て吸収するだけの蛍光体濃度を有している。

凹部内面における放熱ブロックを構成するアルミニウム表面は、研磨されることで反射率が高められている。白色光の取り出し方向は装置上面方向であるが、ＬＤ光により励起された蛍光体は一般に全方位に蛍光を放出するので、装置上面方向以外の方向に出た光を反射させて上面方向に導き、発光装置としての効率を高めるためである。

こうした形状のＬＤ励起白色発光装置を動作させると、まずＬＤ１１が駆動して両端面から水平方向にＬＤ光１４が射出される。ＬＤ光１４は蛍光体層１２中を進むうちに、蛍光体に吸収され、蛍光体を励起する。そして光出力は進むに伴い低下し、凹部の端部まで到達する前に蛍光体層１２中に全て励起光として吸収される。蛍光体層１２から生じた蛍光は、凹部に埋め込まれた蛍光体層１２の上面から上方に照射される。前述したように、蛍光体層１２から横方向や下方に生じた光は、凹部内の蛍光体層１２との境界のアルミニウム表面で上方に反射され、取り出される。本実施形態では、青色発光蛍光体と黄色発光蛍光体を使用しているため、蛍光体層１２から生じた光は外部からは白色光１５として認識される。

以上のように、本実施形態では、ＬＤ１１を励起光源として白色発光装置を実現することができる。本実施形態に係る白色発光装置は、従来のＬＥＤ励起と異なり、高出力で高効率なＬＤ１１を励起光源としているため、白色発光装置として高出力、高効率である。また、高出力を得るために必要な半導体発光素子の数が少なくてすむため、パッケージサイズも小型化することができる。

本実施形態に係るＬＤ励起白色発光装置を、ＬＤ光出力片面２０００ｍＷという高出力で動作した際の、蛍光体層１２の最高温度は約４０℃である。この温度であれば、蛍光体の変換効率低下率は低く、蛍光体層１２を構成する母材の変質、劣化は生じない。

本実施形態においては、放熱ブロック１３を構成する放熱材としてアルミニウムを用いているが、本発明の趣旨を逸脱しない程度の放熱性を有する材料であれば、必ずしもその限りではない。例えば、銅や銀などの金属材料でも良く、ＳｉやＡｌＮなどの半導体材料でも良い。放熱性を確保するためには、蛍光体層１２の母材と比較して、５倍以上の熱伝導係数を有する材料であることが望ましい。

また、ＬＤ１１自身の発熱はＬＤ１１を搭載する台で放熱される設計になっているが、上述したように、蛍光体層１２からの発熱がＬＤ１１に伝播することは好ましくない。そこで、本実施形態のようにＬＤ１１の直近には蛍光体を含有しないシリコーン樹脂層を形成することで、ＬＤ１１直近、例えばＬＤ１１の端面から１ｍｍ以内での蛍光体による発熱を避ける構造をとることが望ましい。ＬＤ１１の端面から１ｍｍ以内では、励起光密度が高すぎて、放熱ブロックによっては温度上昇を防止しきれないからである。このようにすることで、蛍光体層１２での発熱によるＬＤ１１への影響を回避することができる。

前述したように、蛍光体層１２の母材として一般的に使用されている材料は、熱伝導係数が非常に低いので、こうした材料で形成される蛍光体を含まない層が、ＬＤ１１の端面から少なくとも１ｍｍにわたって存在すると、蛍光体を含み励起光によって発熱する蛍光体層１２の領域からＬＤ１１への熱伝播を十分に防ぐことができる。このため、ＬＤ１１の端面から距離１ｍｍ以内には蛍光体を含有しないシリコーン樹脂層が形成されていることが好ましい。

またこの時、ＬＤ１１直近の蛍光体を含有しないシリコーン樹脂層の屈折率よりも、蛍光体層１２の屈折率を大きくすることで、蛍光体層１２内での励起ＬＤ光の広がり角度を狭めることができる。このような構造にすることにより、励起光の蛍光体層１２への入射効率を高めることができ、発光装置の効率を高くすることが出来る。

また、蛍光体層１２の端面を、ＬＤ１１側に突出する凸レンズ形状とすることで、同様に蛍光体層１２内での励起ＬＤ光の広がり角度を狭めることができ、発光装置の効率を高くすることが出来る。

（第２の実施形態）
図５に、励起光源としてＬＤ２１を適用し、蛍光体層２２の一部が放熱材と接触する構成の半導体発光装置の構造模式図を示す。装置本体２０は、３ｍｍ×６ｍｍ×６ｍｍの直方体状をしており、ほとんどの箇所は熱伝導性に優れるＡｌＮからなり、本発明における放熱材を構成する。装置本体２０内の中央に配置された台２７上に設置されたＬＤ２１は、左右両方向に励起ＬＤ光２４を射出する。装置本体２０の左右の壁２３には、０．３ｍｍ×３ｍｍのスリット２６が形成され、このスリット２６内に蛍光体層２２が形成されている。

ＬＤ２１からの励起ＬＤ光は装置本体２０内側の蛍光体層２２の面に入射することで蛍光体を励起し、反対側の蛍光体層２２の面から、励起された白色光が装置本体２０の外に出る構成になっている。装置本体２０の内部は、窒素が封入されており、ＬＤ２１の劣化を抑制する構成になっている。

この時、中央に配置されたＬＤ２１の端面と蛍光体層２２との距離は約２．５ｍｍとなる。この位置関係では、蛍光体層２２は励起ＬＤ光の光路内に形成されていることになり、本発明の趣旨に合致している。

以上のような構成をとることで、本実施形態では、ＬＤ２１を高出力駆動しても、蛍光体層２２からの発熱が、蛍光体層２２に接触する放熱材からなる壁２３に伝導するために、蛍光体層２２の温度上昇を抑制することが出来る。このため、高出力、高効率なＬＤ励起白色発光装置を実現することが出来る。このように、超小型で、高出力な白色発光装置は、車載用ヘッドランプ、液晶バックライト、一般照明など幅広い光源としてのアプリケーションへの応用が可能である。

本実施形態においては、スリット幅は０．３ｍｍ×３ｍｍとしたが、これまで説明してきたように、本発明の主旨を逸脱しない程度の大きさであれば、その限りではない。また、素子全体の大きさも、同様に本実施例が示す大きさに限られるわけではない。

本実施形態においては、スリットは長方形状としたが、本発明の主旨を逸脱しない程度であれば、どのような形状でも良い。例えば、楕円形状でも、角が丸い長方形様状でも、三角、円形、星型などでも良い。また、複数個所に分かれていても良い。用途に合わせ、デザイン性を重視した設計が可能である。

また、本実施形態においては、蛍光体層２２の形状として、励起ＬＤ光が入射する側の幅と、励起された光が出射する側の幅が等しい形状としたが、上記したように本発明の主旨を逸脱しない程度であれば、どのような形状でも良い。例えば、励起ＬＤ光が入射する側の幅が狭く、励起された光が出射する側の幅が広い、テーパ形状にしても良い。このようにすると、励起された光の取り出し効率が高くなり、素子全体としての変換効率が向上する。また、本実施形態においては、蛍光体層をスリットの内部に形成しているが、上記したように本発明の主旨を逸脱しない程度であれば、その限りではない。スリット外に形成されていても良いし、スリット内外両方に存在していても良い。

また、本実施形態においては、放熱材としてＡｌＮを用いているが、本発明の趣旨を逸脱しない程度の放熱性を有する材料であれば、必ずしもその限りではない。例えば、銅や銀、アルミニウムなどの金属材料でも良く、Ｓｉなどの半導体材料でも良い。放熱性を確保するためには、蛍光体層の母材と比較して、５倍以上の熱伝導係数を有する材料であることが望ましい。

以上説明した本発明の第１及び第２の実施形態においては、蛍光体として青色発光蛍光体と黄色発光蛍光体を使用しているが、素子の目的によって、青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、黄色発光蛍光体、赤色発光蛍光体、白色発光蛍光体のいずれの蛍光体を用いても良い。蛍光体の材料としてはケイ酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、ＹＡＧ系蛍光体材料、リン酸塩ホウ酸塩系蛍光体材料、またはハロリン酸塩系蛍光体材料のいずれかであることが望ましいが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば他材料でも良い。

また、第１及び第２の実施形態においては、蛍光体を含有する蛍光体層の母材として、シリコーン系樹脂を使用しているが、樹脂、ガラス、焼結体またはセラミックス系材料などでも良い。本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば他材料でも良い。

また、第１及び第２の実施形態においては、半導体発光素子としては青紫色ＩｎＧａＮ系半導体レーザを使用しているが、近紫外、又は青色半導体ＬＤでもよい。さらには本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、他の波長、材料のＬＤであっても良い。さらには、前述したように、本発明が明示した蛍光体からの発熱が影響するような、高出力励起を行うものであればＬＥＤであってもかまわない。

また、第１及び第２の実施形態においては、外部に向けて放出される光が白色光であるように発光装置を設計しているが、用途によって、他の波長の可視光、さらには赤外、紫外光を発する半導体発光装置として設計しても良い。

また、第１及び第２の実施形態においては、蛍光体層１２中の蛍光体濃度は一定としてあるが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、濃度のばらつきがあってもよい。ＬＤ励起光が、ＬＤ１１の端面から凹部の端部に向かって蛍光体層１２中を進行する際、蛍光体に吸収されながら減衰していくことを考慮すると、蛍光体層１２中の励起光密度はＬＤ１１から離れるほど低くなる。そのため、装置全体で白色光を均一な出力で、色むら無く得ようとするには、蛍光体層１２中に含有される蛍光体の濃度に分布を持たせることが好ましい。例えば、ＬＤ１１に近い領域では励起光出力密度は高く、遠くでは低いことから、ＬＤ１１に近い領域の蛍光体濃度は薄く、ＬＤ１１から遠い領域では濃くすることが望ましい。

励起光源としてＬＤを用いた半導体発光装置の構造を模式的に示す図。 励起されている蛍光体層の温度の、励起領域と放熱材との間の距離による依存性を示す特性図。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の構造を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係る半導体発光装置の構造を模式的に示す図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の構造を模式的に示す図。

符号の説明

１１，２１…ＬＤ、１２，２２…蛍光体層、１３…放熱ブロック、１４，２４…ＬＤからの励起光、１５…外部に放出される白色光、２０…装置本体、２３…壁、２６…スリット、２７…搭載台。

Claims (18)

1. 半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光によって励起される蛍光体を含有する蛍光体層とを具備し、前記励起光の光路は広がり角を有し、前記蛍光体層は、前記励起光の光路断面の大きさより小さい領域内に断面を有するように形成され、前記蛍光体層の少なくとも一部に接して、前記蛍光体層よりも熱伝導係数の高い放熱材が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記蛍光体層は、前記半導体レーザの端面からの距離が２ｍｍの位置において、０．４ｍｍ以上の径を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記半導体レーザの励起光は、２００ｍＷ／ｍｍ ^２ 以上の光出力密度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 複数の半導体レーザを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
5. 前記蛍光体層は、前記半導体レーザからの最大励起光密度が１０００ｍＷ／ｍｍ^２以下の領域に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光装置。
6. 前記半導体レーザは、III族窒化物化合物半導体を材料とする半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記蛍光体層からの発光の少なくとも一部が、可視光であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光装置。
8. 前記放熱材が金属であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 前記蛍光体層中の蛍光体の体積濃度が、前記半導体レーザの近傍では低く、遠い領域では高い濃度分布を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. 前記半導体レーザの励起光射出面から光路方向１ｍｍ以内には蛍光体を含まない層が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光装置。
11. 前記蛍光体層の母材が透光性の樹脂、ガラス、焼結体又はセラミックス系材料のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体発光装置。
12. 前記蛍光体が、ケイ酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、ＹＡＧ系蛍光体材料、リン酸塩ホウ酸塩系蛍光体材料、又はハロリン酸塩系蛍光体材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体発光装置。
13. 前記蛍光体は、青色発光蛍光体材料、緑色発光蛍光体材料、黄色発光蛍光体材料、赤色発光蛍光体材料、又は白色発光蛍光体材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体発光装置。
14. 前記蛍光体層が、励起光の光路方向に沿って長い円柱状であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体発光装置。
15. 前記蛍光体層が、半導体レーザからの励起光の光路に近似し、励起光の光路方向に沿って長い円錐状であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光装置。
16. 前記励起光が入射する蛍光体層の端面の形状が凸レンズ形状であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光装置。
17. 前記半導体レーザと前記蛍光体層との間に、前記蛍光体層の屈折率よりも小さい屈折率を有する材料からなる層が設けられていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の半導体発光装置。
18. 前記半導体レーザは直方体状筐体内に配置され、前記半導体レーザの励起光射出面に対向する前記直方体状筐体の壁体は前記放熱材により形成され、前記壁体は、励起光の入射領域にスリットを有し、このスリット内に前記蛍光体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光装置。

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