JP5193586B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に係り、特に、半導体発光素子と蛍光体を含む可視発光体とを備えた発光装置に関する。

半導体発光素子と蛍光物質を組み合わせた、種々の光源装置あるいは発光装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。このような発光装置は、蛍光物質が半導体発光素子からの励起光を吸収して励起光とは異なる波長の光を放射するものである。

特許文献１には、照度と演色性の高い発光装置が記載されている。この発光装置は、光ファイバを励起光の導波路として用い、光ファイバの先端に蛍光物質を付加した構造を有している。

特許文献２には、蛍光体の励起光を放射する半導体発光素子と、蛍光体を分散させた分散体とを備えた、高い光取り出し効率を有する発光装置が提案されている。この発光装置では、分散体中の蛍光体から放射される光が、分散体における励起光の入射側より取り出される。

また、特許文献３には、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、蛍光体を光取り出し面に塗布した導光板とを備え、面状に光を発することができる照明用発光装置が提案されている。

しかしながら、上述の特許文献１〜３に記載された発光装置は、以下の点について配慮がなされていなかった。即ち、特許文献１および2に記載の発光装置では、励起光が蛍光体の一点に集中し、輝度の高い点光源になり、また、励起密度が高く、発光効率の低下や材料の劣化が問題となる。また、特許文献３に記載の発光装置では、励起密度が低く、面発光源になっているが、導光板やシンドリカルレンズが必須の構造であり、光学部品の多い複雑な構造となる。

更に、これらの構造の発光装置で励起光漏れを十分に抑えるためには、蛍光体を厚くする必要がある。その結果、蛍光体内での再吸収や散乱が増加し、発光効率が低下してしまう。

更にまた、励起密度を上げることができないため、高エネルギー光を出力する発光素子を利用することができないので、照明装置、画像表示装置等の高光束が要求されている装置に応用することができない。
特開２００５−２０５１９５号公報 特開２００６−２１０８８７号公報 特開２００６−７３２０２号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、再吸収によるエネルギー損失を低減し、実質的な発光面積を増やすとともに、高エネルギーの励起光を利用することができ、高光束の可視光を出力することが可能な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、前記半導体発光素子に対向し、半導体発光素子より発する励起光の光軸に対して斜めに配置され、前記励起光を吸収して励起光とは波長の異なる可視出射光を出力する蛍光材料を含む、複数の板状の可視発光体とを備え、前記可視発光体が、後に隣接する可視発光体の、励起光の照射による発光体の最も明るく輝く点と、光取り出し方向において重ならないような間隔で配置されていることを特徴とする発光装置を提供する。

以上のように構成される発光装置において、前記可視発光体を、半導体発光素子より発する光の光軸に対して３０°以上９０°未満の角度で配置することが出来る。

前記可視発光体は、異なる波長の可視出射光を出射する複数種の蛍光体を含むもの、蛍光体を含む透明樹脂からなるもの、蛍光体を含む無機のガラス若しくは結晶からなるもの、又は蛍光体の焼結体を含むものとすることが出来る。

前記半導体発光素子は、４３０ｎｍ以下の波長領域に発光ピークを有するもの、端面発光型もしくは面発光型の半導体レーザダイオードであるもの、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムからなる群から選ばれる金属の少なくとも一つを含む窒化物半導体を含む発光層を有するもの、又はマグネシウム及び亜鉛からなる群から選ばれる金属の少なくとも一つを含む酸化物半導体を含む発光層を有するものとすることが出来る。

本発明によれば、再吸収によるエネルギー損失を低減し、高光束の可視光を出力することが可能な発光装置を提供することが可能である。

以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付してある。

本発明の一実施形態に係る発光装置は、図１に示すように、実装基板１０の上に、発光素子１２と複数（図では４枚）の発光体１４とを配置することにより構成されている。実装基板１０の表面には配線層１６ａ，１６ｂが設けられ、発光素子１２の一方の電極（図示省略）は、直接、配線層１６ａに、他方の電極はボンディングワイヤ１５を介して、配線層１６ｂに電気的に接続されている。

発光体１４は、発光素子１２からの励起光の光軸Ｐに対し、斜めに配置されている。光軸Ｐとの角度θは、好ましくは３０°以上９０°未満であり、より好ましくは３０°以上６０°以下であり、最も好ましくは４５°である。

θが３０°未満の場合には、発光素子１２からの励起光が発光体１４に取り込まれにくいため、効率が悪く、９０°以上では、光を取り出すことが出来ない。

なお、発光体１４は、実装基板１０に平行な平面上では、光軸Ｐに垂直に配置されている。

また、発光体１４は、後に隣接する可視発光体の、励起光の照射による発光体の最も明るく輝く点（発光点）と、光取り出し方向（上下方向）において重ならないような間隔で配置されている。前の発光体が、後の発光体の発光点と上下方向で重なってしまうと、後の発光体の発光点からの光が前の発光体により妨げられて、光を取り出すことが困難となる。

図２に示すように、発光素子１２は、紫外光から可視光までの範囲内の励起光Ｌｅを１番目の発光体１４に照射する。１番目の発光体１４は、励起光の一部を吸収し、可視光を等方的に放射する。放射された可視光は、１番目の発光体１４から外部に可視出射光Ｌｆとして出力される。

１番目の発光体１４を透過した励起光は、２番目の発光体１４に照射され、また一部が吸収され、一部が透過し、以下、順次、それぞれの発光体で可視出射光が出力される。これが発光体の枚数分だけ繰り返され、励起光は１番目〜４番目の発光体１４に吸収される。

また、発光体１４のうち、最も発光素子１２から離れた位置にあるものの直後には、紫外光および可視光を反射する膜が配置されていても良い。

発光体１４の断面の一部を図３に示す。図３に示すように、発光体１４は、透明基材３０からなり、透明基材３０中には蛍光体粒子３２が分散されている。発光体１４の内部に入射した励起光は、蛍光体粒子３２に吸収される。励起光の一部は、透明基材３０を透過する。透過した励起光は、次の発光体１４に照射され、前の発光体１４と同様にして、吸収および透過し、それを更に発光体の枚数分だけ繰り返す。

従って、発光素子１２から高エネルギーの励起光Ｌｅが出力されても、発光体１４では、入射した励起光が各発光体で徐々に吸収されるため、低い励起密度で利用することができる。また、各発光体の厚さを最低限にすることができ、蛍光体粒子３２から発した可視光の実質的な光路長を短くし、再吸収率を低下させることができる。その結果、高光束の可視出射光を、高効率で出力することが可能となる。

透明基材３０中の蛍光体粒子３２の含有量は、発光素子１２からの励起光が効果的に吸収および透過されるように調節される。具体的には、発光体１４は、透明基材３０中に約５〜７５重量％、望ましくは約２５重量％の蛍光体粒子３２を含有するようなものであることが望ましい。また、蛍光体粒子３２としては、粒径５〜２５μｍのものが望ましく、特に、発光強度並びに発光効率の高い、例えば粒径約２０ｎｍ以上の大粒径粒子を含むものを使用することが望ましい。

本発明者らの実験によると、発光体の厚さ、枚数、及び発光体中の蛍光体の濃度（蛍光体重量／発光体の重量）は、所定の関係にある。即ち、発光素子１２からの励起光のうち、蛍光体により吸収されない（発光光として使用されない）光の強度Iは、次の式により表すことが出来る。

I = I_０ｅ^κｃｔｎ
Ｉ_０：励起光の強度
κ：係数
ｃ：発光体中の蛍光体の濃度（重量）
ｔ：発光体の厚さ（μｍ）
ｎ：発光体の枚数
ｃｔｎを横軸に、Ｉを縦軸にプロットしたグラフを図４に示す。

図４のグラフから、蛍光体により吸収されない光（漏れ光）が１０％以下になるｃｔｎが約１００とすると、蛍光体の濃度を２５重量％とした場合に厚さ１００μｍの発光体が４枚必要となり、蛍光体の濃度を５０重量％とした場合に厚さ５０μｍの発光体が４枚必要となることがわかる。

発光素子１２としては、約４３０ｎｍ以下の波長領域の青から紫外の発光ピーク波長を有するものを用いるのが望ましい。発光素子１２は、端面発光型であってもよく、面発光型であってもよい。具体的には、発光層（活性層）として、III−Ｖ族化合物半導体である窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、あるいはII−VI族化合物半導体である酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）等を用いた半導体レーザダイオードや発光ダイオードを用いることが出来る。

例えば、発光層として用いるIII−Ｖ族化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む窒化物半導体である。この窒化物半導体は、具体的には、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦（ｘ＋ｙ）≦１）と表わされるものである。

このような窒化物半導体には、ＡｌＮ、ＧａＮ、及びＩｎＮの２元系、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ_ｘＩｎ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、及びＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｙ）}Ｎ （０＜ｙ＜１）の３元系、更にすべてを含む４元系のいずれもが含まれる。Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの組成ｘ、ｙ、（１−ｘ−ｙ）に基いて、紫外から青までの範囲の発光ピーク波長が決定される。

また、III族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置換することができる。更に、Ｖ族元素のＮの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等に置換することができる。

同様に、発光層として用いるII−VI族化合物半導体は、Ｍｇ及びＺｎの少なくとも１種を含む酸化物半導体である。具体的には、Ｍｇ_ｚＺｎ_{（１−ｚ）}Ｏ（０≦ｚ≦１）と表されるものがあり、Ｍｇ及びＺｎの組成ｚ、（１−ｚ）に基いて、紫外領域の発光ピーク波長が決定される。

図５は、発光素子１２として使用可能な端面発光型ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードの一例を示している。図５に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ｎ型ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＧａＩｎＮ発光層１０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のそれぞれを順次積層した構造を有する。ｐ型コンタクト層１０７のリッジ側面及びｐ型クラッド層１０６の表面には、絶縁膜１０８が設けられている。ｐ側電極１０９が、ｐ型コンタクト層１０７及び絶縁膜１０８の表面に設けられている。ｎ側電極１１０が、ｎ型基板１００の裏面に設けられている。

図６は、発光素子１２として使用可能な垂直共振器面発光型半導体レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）の一例を示している。図６に示すように、ＶＣＳＥＬは、ｎ型基板１２０上に、ｎ型多層膜分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１２１、量子井戸層（ＭＱＷ）１２２、ｐ型多層膜ＤＢＲ１２３のそれぞれを順次積層した構造を有する。ｐ型多層膜ＤＢＲ１２３上には、コンタクト層１２４を介してｐ側電極１２５が設けられている。ｎ型基板１２０の裏面には、ｎ側電極１２６が設けられている。

図７及び図８は、発光素子１２として使用可能な端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードの一例を示している。図７に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードでは、シリコン（Ｓｉ）基板１３０が用いられる。一方、図８に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードでは、サファイア基板１４０が用いられている。

図７に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、Ｓｉ基板１３０上に、金属反射層１３１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３２、ｉ型ＭｇＺｎＯ発光層１３３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３４、ｎ型ＭｇＺｎＯコンタクト層１３５のそれぞれを積層した構造を有する。ｎ型コンタクト層１３５には、ｎ側電極１３６が設けられている。基板１３０には、ｐ側電極１３７が設けられている。

図８に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、サファイア基板１４０上に、ＺｎＯバッファ層１４１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４２、ＭｇＺｎＯ発光層１４３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４４のそれぞれを積層した構造を有する。ｎ型クラッド層１４４には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極層１４５を介してｎ側電極１４６が設けられている。ｐ型クラッド層１４２には、ＩＴＯ電極層１４７を介してｐ側電極１４８が設けられている。

発光体１４の透明基材３０としては、励起光の透過性が高く、かつ耐熱性の高い任意の材料を用いることができる。そのような材料として、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が使用可能である。特に、入手し易く、取り扱いやすく、しかも安価であることから、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が好適に使用される。また、樹脂以外でも、ガラス、焼結体、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を組み合わせたセラミックス構造体等を用いることもできる。

蛍光体粒子３２としては、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられる。例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩蛍光体材料、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、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用することができる。各蛍光体材料の組成を下記に示す。

（１）珪酸塩系蛍光体材料：（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２Ｓｉ_ｗＯ_{（２＋２ｗ）}（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０．０５≦ｚ≦０．２、０．９０≦ｗ≦１．１０）
上記式により表される珪酸塩系蛍光体材料の中では、ｘ＝０．１９、ｙ＝０、ｚ＝０．０５、ｗ＝１．０の組成が望ましい。なお、結晶構造を安定化したり、発光強度を高めるために、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、及びカルシウム（Ｃａ）の一部をＭｇ及びＺｎの少なくともいずれか一方に置き換えてもよい。

他の組成比の珪酸塩系蛍光体材料としては、ＭＳｉＯ_３、ＭＳｉＯ_４、Ｍ_２ＳｉＯ_３、Ｍ_２ＳｉＯ_５、及びＭ_４Ｓｉ_２Ｏ_８（ＭはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、及びＹからなる群から選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。なお、発光色を制御するために、Ｓｉの一部をゲルマニウム（Ｇｅ）に置き換えてもよい（例えば、（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２（Ｓｉ_{２（１−ｕ）}）Ｇｅ_ｕ）Ｏ_４）。また、Ｔｉ、鉛（Ｐｂ）、マンガン（Ｍｎ）、ヒ素（Ａｓ）、Ａｌ、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、及びセリウム（Ｃｅ）からなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素を賦活剤として含有してもよい。

（２）アルミン酸塩系蛍光体材料：Ｍ_２Ａｌ_１０Ｏ_１７（但し、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＣａからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）
賦活剤として、ユーロピウム（Ｅｕ）及びＭｎの少なくとも１つを含む。

他の組成比のアルミン酸塩系蛍光体材料としては、ＭＡｌ_２Ｏ_４、ＭＡｌ_４Ｏ_１７、ＭＡｌ_８Ｏ_１３、ＭＡｌ_１２Ｏ_１９、Ｍ_２Ａｌ_１９Ｏ_１７、Ｍ_２Ａｌ_１１Ｏ_１９、Ｍ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｍ_３Ａｌ_１６Ｏ_２７、及びＭ_４Ａｌ_５Ｏ_１２（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ及びＺｎからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。また、Ｍｎ、ジスプロシウム（Ｄｙ）、Ｔｂ、ネオジウム（Ｎｄ）、及びＣｅからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素を賦活剤として含有していてもよい。

（３）窒化物系蛍光体材料（主にシリコンナイトライド系蛍光体材料）：Ｌ_ｘＳｉ_ｙＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３）}：Ｅｕ、又はＬ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３−２ｚ／３）}：Ｅｕ（ＬはＳｒ、Ｃａ、Ｓｒ及びＣａからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）
上記組成において、ｘ＝２かつｙ＝５、又はｘ＝１かつｙ＝７であることが望ましいが、ｘ及びｙは、任意の値とすることができる。

上記式により表される窒化物系蛍光体材料として、Ｍｎが賦活剤として添加された（Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}Ｓｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＳｒＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＣａＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ等の蛍光体材料を使用することが望ましい。これらの蛍光体材料には、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、銅（Ｃｕ）、Ｍｎ、クロム（Ｃｒ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素が含有されてもよい。また、Ｃｅ，Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、及びランタン（Ｌａ）からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を、賦活剤として含有してもよい。

（４）硫化物系蛍光体材料：(Ｚｎ_{（１−ｘ）}Ｃｄ_ｘ)Ｓ：Ｍ（Ｍは、Ｃｕ、塩素（Ｃｌ）、Ａｇ、Ａｌ、鉄（Ｆｅ）、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、イオウ（Ｓ）を、セレン（Ｓｅ）及びテルル（Ｔｅ）の少なくともいずれかに置き換えてもよい。

（５）酸硫化物蛍光体材料：（Ｌｎ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）Ｏ_２Ｓ（Ｌｎはスカンジウム（Ｓｃ）、Ｙ、Ｌａ、ガドリニウム（Ｇｄ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｇａ、サマリウム（Ｓｍ）、及びツリウム（Ｔｍ）からなる群から選ばれる少なくとも１種を、賦活剤として含有してもよい。

（６）ＹＡＧ系蛍光体材料：（Ｙ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｇｄ_ｘＬａ_ｙＳｍ_ｚ）_３（Ａｌ_{（１−ｖ）}Ｇａ_ｖ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ，Ｅｕ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１．０≦ｖ≦１）
なお、ＣｒおよびＴｂの少なくとも一種を、賦活剤として含有してもよい。

（７）硼酸塩系蛍光体材料：ＭＢＯ_３：Ｅｕ（ＭはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素）
なお、賦活剤として、Ｔｂを含有してもよい。

他の組成比の硼酸塩系蛍光体材料として、Ｃｄ_２Ｂ_２Ｏ５_５：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｇｄ，Ｔｂ）ＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｍｎ、ＧｄＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｃｅ，Ｔｂなどが使用可能である。

（８）燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料：２（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｍ’_ｘ）Ｏ・ａＰ_２Ｏ_５・ｂＢ_２Ｏ_３（ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、Ｍ’はＥｕ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群から選択される少なくとも１つの元素、ｘ、ａ、ｂは０．００１≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦２、０≦ｂ≦３、０．３＜（ａ＋ｂ）を満足する数値）
（９）燐酸塩系蛍光体：（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_３（ＰＯ_４）_２：Ｅｕ、又は（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、Ｓｎ
なお、Ｔｉ及びＣｕのいずれか一方を、賦活剤として含有してもよい。

（１０）ハロリン酸塩系蛍光体材料：（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_１２、又は（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＣｄからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、Ｃｌの少なくとも一部を、フッ素（Ｆ）に置き換えてもよい。また、Ｓｂ及びＭｎの少なくとも１つを、賦活剤として含有してもよい。

上記の蛍光体材料を適宜選択して、青色発光体、黄色発光体、緑色発光体、赤色発光体、白色発光体として使用することができる。また、蛍光体材料を複数種組み合わせることで、中間色を発光する発光体を形成することができる。白色発光体を形成する場合には、光の三原色の赤緑青（ＲＧＢ）のそれぞれに対応する色の蛍光体材料を組み合わせるか、もしくは青と黄色のような補色関係にある色の組み合わせを用いればよい。

また、これらの組み合わせは、図９に示すように、発光体１４ａ〜１４ｄのそれぞれで異なっても良く、また逆に、すべての発光体に同一の混合した蛍光体を用いても良い。例えば、ＲＧＢのそれぞれに対応する色の蛍光体材料を透明基材に混合してＲＧＢそれぞれに対応する発光体を形成する。これらの発光体を組み合わせることによって、白色光を放射する発光装置が得られる。また、ＲＧＢの蛍光体材料を同一の透明基材中に混合すると、発光体１４ａ〜１４ｄがそれぞれの白色光を放射する発光装置が得られる。効率と色合いの安定度を求める場合は、それぞれの発光体が１種類ずつ蛍光体を含み、デバイス全体で白色を作ることが望ましい。一方、発光体の作成の簡易さに重点を置く場合は、後者の蛍光体を混合する構造が望ましい。

なお、図９及び以降の図では、配線層及びボンディングワイヤは省略されている。

実装基板１０として、熱伝導性に優れた材料を用いることが望ましい。例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、窒化ボロン（ＢＮ）、プラスチック、セラミックス、及びダイアモンド等が使用可能である。こうした材料からなる実装基板１０を用いることによって、発光素子１２の動作により発生する熱を効率よく放出することができる。

配線層１６ａ，１６ｂとしては、抵抗値が小さく、かつ可視光の吸収率が小さい材料が望ましい。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、あるいはタングステン（Ｗ）等の金属材料によって、配線層１６ａ，１６ｂを形成することができる。配線層１６ａ，１６ｂは、薄膜配線層及び厚膜配線層のいずれであってもよい。更に、配線層１６ａ，１６ｂには、ボンダビリティを向上するために、Ａｕメッキ層、Ａｇメッキ層、Ｐｄメッキ層、又は半田メッキ層を形成することができる。ボンディングワイヤ１５には、抵抗値が小さくかつ可視光の吸収率が小さい材料を用いることが望ましい。例えば、Ａｕワイヤを用いることができる。あるいは、Ｐｔ等の貴金属とＡｕとを組を合わせたワイヤを用いてもよい。

(実施例)
以上説明した本発明の実施形態に係る発光装置の様々な実施例について、以下に説明する。

実施例１
本実施例は、図１及び図２に示す発光装置の製造に係るものである。

まず、図１及び図２に示す発光装置の発光体１４を形成する。発光体の透明基材としては、シリコーン樹脂を使用する。透明基材に補色関係で白色を構成できる２種類の蛍光体材料をそれぞれ５０重量％含有する発光体を形成する。例えば、青色蛍光体を含有する青色発光体と、黄色蛍光体を含有する黄色発光体をそれぞれ形成する。具体的には、青色蛍光体材料には（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_１２：Ｅｕを、黄色蛍光体材料には３（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２Ｓｉ_２Ｏ_４：Ｅｕをそれぞれ使用する。

ＡｌＮ等からなる実装基板１０は、成型加工により製作する。実装基板１０の表面にＡｕ等の金属膜を成膜し、これをフォトリソグラフィ、エッチング等によりパターニングして、実装基板１０の表面に配線層１６ａ，１６ｂを形成する。

実装基板１０の配線層１６ａ上に、発光素子１２として紫光を発振するＡｌＧａＩｎＮ発光層を有する半導体レーザダイオードをマウントする。また、実装基板１０の表面に発光体１４を、その一方の面が実装基板１０の面から４５°の角度で発光素子１２と対向するように配置する。その後、ボンディングワイヤ１５により配線１６ｂと発光素子１２の電極（図示省略）との間を電気的に接続する。

以上のようにして製造した発光装置において、発光素子１２の電極間に動作電圧を印加し、レーザ光を発振させる。発光素子１２から発光体１４の方向に向かって出力された励起光が、それぞれの発光体１４で吸収され、励起光の入射方向とは異なる方向に向かって白色光が出力される。

実施例２
本実施例は、端面発光型の発光素子２２を用いた例を示す。端面発光型の発光素子１２では、対向する２つの端面から励起光を出射させることが可能であるため、図１０に示すように、励起光が出射される一方の端面に対向して発光体２４が、他方の端面に対向して発光体２５が、それぞれ配置される。

本実施例に係る発光装置は、実用的な発光装置を具体化する際に用いることができる。

実施例３
本実施例は、図１１に示すように、発光体１４が載置される実装基板１０表面に金属等の反射膜１１を設けた例である。発光体１４の内部で等方的に放射される可視光のうち、実装基板１０に向かう方向に放射された可視光は、反射膜１１において反射される。その結果、発光体１４の内部で放射された可視光の外部への取り出し効率が向上する。

反射膜１１としては、励起光に対する反射率が約８０％以上、望ましくは約９０％以上である金属膜や誘電体多層膜ＤＢＲを用いることができる。特に、誘電体多層膜ＤＢＲは、例えば、励起光のみを選択的に反射し、可視光は透過させるように励起光の波長に合わせて設計することが可能である。

金属膜を構成する金属としては、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等を用いることが出来る。誘電体多層膜を構成する誘電体としては、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ等の酸化物及び窒化物等を用いることが出来る。

実施例４
本実施例は、図１２に示すように、発光体１４の表面のうち、励起光源のスポット部に、励起光の反射を防ぐ反射防止部材１７を配置した例である。反射防止部材１７としては、レンズ、微細凹凸構造、ＡRコート等を挙げることが出来る。

このように、反射防止部材１７を配置することにより、効率的に励起光を利用することが可能であり、その結果、発光装置のエネルギー効率を高めることができる。

実施例５
本実施例は、図１３に示すように、発光体１４の上方に、もしくは発光装置全体を覆うように、拡散板１８を配置した例である。拡散板１８としては、表面にフロストもしくはレンズ構造を持つか、もしくは白色の光拡散物質を内包する、板状で可視光に透明なプラスチックもしくはガラスを用いることが出来る。

このように、拡散板１８を配置することにより、効率は低下するが、発光体１４から発する白色光を広げることで、発光装置内での輝度の分布を少なくし、均一な面光源を得ることが出来る。

実施例６
本実施例は、図１４に示すように、発光体１４の上方、もしくは発光装置全体を覆うように、蛍光体を含むＵＶ吸収部材１９を配置した例である。蛍光体としては、無機蛍光体及び有機蛍光体を使用することが出来るが、有機蛍光体を用いた場合には、UV(漏れ光)を減少させるとともに、漏れ光を可視光(例えば赤色)に変換することで、演色性を高める効果が得られる。

実施例７
本実施例は、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、図１０に示す実施例２に係る発光装置の周囲に反射部材２０を配置した例を示す。図１５（ａ）は上面図、（ｂ）は側断面図を示す。

実施例２におけるように、発光素子１２は端面発光型であって、対向する２つの端面から励起光を出射させることが可能であり、励起光が出射される一方の端面に対向して発光体１４が、他方の端面に対向して発光体１５が、それぞれ配置されている。

本実施例におけるように、周囲に反射部材２０を配置することにより、より効率のよい光の取り出しが可能であり、実用的な発光装置として使用可能である。

実施例８
本実施例は、図１６に示すように、図１０に示す実施例２に係る発光装置を複数個、配置し、１ユニットとした例を示す。図１６（ａ）は直列に３段配置した例を、図１６（ｂ）は並列に配置した例をそれぞれ示す。

このようにユニット化した発光装置は、照明用として実用上好適に使用可能である。

実施例９
本実施例は、図１７に示すように、図１５に示す実施例７に係る発光装置を複数個、配置し、１ユニットとした例を示す。図１７（ａ）は直列に３段配置した例を、図１７（ｂ）は並列に配置した例をそれぞれ示す。

このようにユニット化した発光装置は、特に、照明用として実用上好適に使用可能である。

以上説明した本発明の実施形態及び実施例では、白色光を放出する発光体を用いた発光装置について示した。しかし、本発明は、白色光を放出する発光体を用いた発光装置に限定されず、他の色の可視光を放出する発光体を用いた発光装置にも適用可能である。例えば、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、紫、白等の可視光を放射する発光体を用途に応じて用いることができる。

本発明の発光装置の用途として、一般照明器具、業務用照明器具、又はテレビジョン若しくはパーソナルコンピュータの液晶表示装置のバックライト、又は自動車、自動二輪車若しくは自転車のライト等を挙げることが出来る。

その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る発光装置を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る発光装置の光取り出しのメカニズムを説明する図。 図１に示す発光装置の発光体の部分断面図。 発光体の厚さ、枚数、及び発光体中の蛍光体の濃度と、蛍光体により吸収されない光の強度との関係を示す特性図。 本発明の一実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードを示す断面図。 本発明の一実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての垂直共振器面発光型半導体レーザダイオードを示す断面図。 本発明の一実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードを示す断面図。 本発明の一実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードを示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る発光装置を示す模式図。 実施例２に係る発光装置を示す模式図。 実施例３に係る発光装置を示す模式図。 実施例４に係る発光装置を示す模式図。 実施例５に係る発光装置を示す模式図。 実施例６に係る発光装置を示す模式図。 実施例７に係る発光装置を示す模式図。 実施例８に係る発光装置を示す模式図。 実施例９に係る発光装置を示す模式図。

符号の説明

１０…基板、１１…反射膜、１２，２２…発光素子、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，２４，２５…発光体、１５…ボンディングワイヤ、１６ａ…第１の配線層、１６ｂ…第２の配線層、１７…反射防止部材、１８…拡散板、１９…ＵＶ吸収部材、３０…透明樹脂、３２…蛍光体粒子、１００…ｎ型ＧａＮ基板、１０１…ｎ型ＧａＮバッファ層、１０２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０４…ＧａＩｎＮ発光層、１０５…ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１０６…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０７…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０８…絶縁膜、１０９…ｐ側電極、１１０…ｎ側電極１１０、１２０…ｎ型基板、１２１…ｎ型多層膜分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、１２２…量子井戸層（ＭＱＷ）、１２３…ｐ型多層膜ＤＢＲ、１２４…コンタクト層、１２５…ｐ側電極、１２６…ｎ側電極１２６、１３０…シリコン（Ｓｉ）基板、１３１…金属反射層、１３２…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１３３…ｉ型ＭｇＺｎＯ発光層、１３４…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１３５…ｎ型ＭｇＺｎＯコンタクト層、１３６…ｎ側電極、１３７…ｐ側電極、１４０…サファイア基板、１４１…ＺｎＯバッファ層、１４２…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１４３…ＭｇＺｎＯ発光層、１４４…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１４５…酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極層、１４６…ｎ側電極、１４７…ＩＴＯ電極層、１４８…ｐ側電極。

Claims (10)

1. 半導体発光素子と、前記半導体発光素子に対向し、半導体発光素子より発する励起光の光軸に対して斜めに配置され、前記励起光を吸収して励起光とは波長の異なる可視出射光を出力する蛍光材料を含む、複数の板状の可視発光体とを備え、前記可視発光体が、後に隣接する可視発光体の、励起光の照射による発光体の最も明るく輝く点と、光取り出し方向において重ならないような間隔で配置されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記可視発光体は、半導体発光素子より発する光の光軸に対して30°以上90°未満の角度で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記可視発光体が、異なる波長の可視出射光を出射する複数種の蛍光体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記可視発光体が、蛍光体を含む透明樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
5. 前記可視発光体が、蛍光体を含む無機のガラス若しくは結晶からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記可視発光体は、蛍光体の焼結体を含むこと特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
7. 前記半導体発光素子が、４３０ｎｍ以下の波長領域に発光ピークを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置。
8. 前記半導体発光素子が、端面発光型もしくは面発光型の半導体レーザダイオード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発光装置。
9. 前記半導体発光素子が、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムからなる群から選ばれる金属の少なくとも一つを含む窒化物半導体を含む発光層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発光装置。
10. 前記半導体発光素子が、マグネシウム及び亜鉛からなる群から選ばれる金属の少なくとも一つを含む酸化物半導体を含む発光層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発光装置。

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