JP5635832B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子の出射光を波長変換する部材を備えた半導体発光装置に関する。
半導体発光素子の上に、２種類以上の蛍光体層を配置することにより、半導体発光素子の光を２種類以上の波長光に変換し、これらの光が混合された光を出射する発光素子が知られている。
例えば特許文献１および特許文献２には、半導体発光素子上に、２層以上の蛍光体層を積層した構造が開示されている。２層以上の蛍光体層は、半導体発光素子からの光を吸収し、所定波長の蛍光を発する。このとき、半導体発光素子に近い側に配置される蛍光体層ほど蛍光波長が長くなるように積層順が設定されている。具体的には、青色光を発する半導体素子の上に、赤色蛍光を発する赤色蛍光体層、緑色蛍光を発する緑色蛍光体層をこの順に積層している。このような積層順にすることにより、赤色蛍光体層から発せられた赤色蛍光が、その上に配置された緑色蛍光体層によって吸収されないため、大きな発光輝度を得られる。
特許文献３には、紫外光を発する発光素子の上に、３層の蛍光体層を積層した板状部材を配置する発光装置が開示されている。３層の蛍光体層は、紫外光を吸収しそれぞれ赤色、緑色、青色の蛍光を発する蛍光体層であり、発光素子側からこの順に配置され、３色の光が混合された白色光を出射する。３層を上記配置とすることにより、各蛍光体層から発せられた蛍光がその上に配置された蛍光体層によって吸収されないため、取り出し効率を向上させることができる。
特許文献４では、発光素子の上に配置された色変換材を配置する構造において、観察する角度によって輝度むら、色むらが発生するのを解決するために、色変換材の面内濃度分布が中央から外周に向かって減少するようにしている。具体的には、透明部材に溝を設け、溝に蛍光体を充てんする構造とし、溝の深さを外周に行くほど浅くする、もしくは、溝の間隔を外周に行くほど広げる等した構成が開示されている。
特許文献５には、赤色、緑色、青色の各蛍光体のセルを平面状に敷きつめ、３種の蛍光体が光路方向に重ならない構成とし、各蛍光体から発生した蛍光が他の蛍光体に吸収されないようにした波長変換部が開示されている。
特開２００４−１７９６４４号公報 特開２００５−２７７１２７号公報 特開２００７−１３４６５６号公報 特許第４１２３０５７号公報 特開２００８−２５８１７１号公報
上述した特許文献１、２、３の構成はいずれも、赤色蛍光体の吸収端が緑色波長よりも長波長側に位置し、赤色蛍光体層を緑色蛍光体層よりも上側に配置すると、緑色蛍光体層から発せられた緑色光が赤色蛍光体層によって吸収され、発光輝度が低下するという問題を抑制するための構造である。しかしながら、このような構成の半導体発光装置では、発光素子、例えば青色発光素子から出射される光の大部分は、素子側に配置されている赤色蛍光体層で吸収されてしまい、吸収されなかった一部の光のみが緑色発光蛍光体層に到達して波長変換される。このため、半導体発光素子から出射された光を、励起光として効率よく利用することができないという問題がある。
同様に、紫外光を発する発光素子を用い、青、緑、赤色の３層の蛍光体層を積層する構成で混色による白色光を得ようとした場合、発光素子からの紫外光の大部分は緑、赤蛍光体に吸収され、青色蛍光体に到達する紫外光の強度が低減し、波長変換効率が悪い。
特許文献４に記載の技術は、観察する角度による輝度むらを低減するために、色変換材の面内濃度分布を調整しているが、使用する蛍光体は１種類であり、複数の蛍光体間の励起光や蛍光の吸収という問題を解決するものではない。
特許文献５に記載の技術は、３種類の蛍光体のセルを平面状に敷き詰める色変換部材を開示しているが、セルごとに発する蛍光の波長が異なるため、面内方向に色度むらが生じる可能性がある。
本発明の目的は、複数種類の蛍光体を含有する色変換プレートの各蛍光体から発せられた蛍光が他の蛍光体で吸収されにくく、かつ、発光素子からの光を効率よく各蛍光体に到達させることができる発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の半導体発光装置は、発光素子と、発光素子の上に搭載され、発光素子の発する光を吸収し蛍光を発する第１及び第２の蛍光体を少なくとも含有する色変換プレートとを有し、色変換プレートは、発光素子側の面に、第１の蛍光体を含む第１領域が所定の間隔で複数配置され、上面には、第２の蛍光体を含む第２領域が所定の間隔で配置され、第１領域および第２領域を除いた領域には、蛍光体は含まれていない。
第１の蛍光体の蛍光波長は、前記第２の蛍光体の蛍光波長よりも長波長であることが望ましい。
色変換プレートの主平面方向において、第１領域の中心位置または中心軸は、前記第２領域の中心位置または中心軸とは重なっていないことが望ましい。
複数の第１領域および複数の第２領域は、色変換プレートを上面から見た場合が、ドット状に点在しているか、またはストライプ状に並べられている構成にすることができる。
第１領域および第２領域を色変換プレートの上面から見た場合の外形は、円形、三角形、四角形、および多角形のいずれかにすることができる。第１領域および第２領域を前記色変換プレートを側面から見た場合の外形が、半球、三角形、および、四角形のいずれかにすることができる。
また、本発明の第２の態様の半導体発光装置は、発光素子と、発光素子の上に搭載され、当該発光素子の発する光を吸収し蛍光を発する第１及び第２の蛍光体を少なくとも含有する色変換プレートとを有する。色変換プレートは、発光素子側の面からその対向面まで貫通する複数の第１領域および第２領域を有し、第１領域は、前記第１の蛍光体を含み、第２領域は、第２の蛍光体を含み、第１領域と第２領域は、色変換プレートを上面から見た場合に所定の間隔で交互に配置されている。第１領域および前記第２領域を除いた領域には、蛍光体は含まれていない。
第１領域および第２領域の形状は、円柱、三角柱、四角柱、および、多角柱のいずれかにすることができる。
本発明によれば、第１及び第２の蛍光体に発光素子からの光が到達しやすく、発せられた蛍光が他の蛍光体で吸収されにくいため、光の取り出し効率を高めることができる。
実施形態１のフリップチップ型の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 図１の半導体発光装置の色変換プレート５の作用を示す説明図。 実施形態１の赤色蛍光体および緑色蛍光体の吸収スペクトルと蛍光スペクトルを示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）実施形態１の色変換プレート５の製造工程を示す説明図。 実施形態２のメタルボンディング型の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 図５の色変換プレート５の製造工程において大面積プレートを切り出す位置及び切り欠き５８の形状を示す説明図。 実施形態３の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 実施形態４の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 実施形態５の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 図９の半導体発光装置の色変換プレート５の作用を示す説明図。 実施形態６の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 実施形態７の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 図１２の半導体発光装置の色変換プレート５の作用を示す説明図。 （ａ）〜（ｄ）実施形態７の色変換プレート５の製造工程を示す説明図。 実施形態８の半導体発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 （ａ）〜（ｃ）実施形態の半導体発光装置の領域２２，２３の形状のバリエーションを示す断面図、（ｄ）〜（ｈ）実施形態の半導体発光装置の領域２２，２３の形状のバリエーションを示す上面図。
本発明の一実施の形態の発光装置について図面を用いて説明する。
＜実施形態１＞
実施形態１の発光装置は、青色発光のフリップチップ素子の出射する青色光の一部を、色変換プレートによって赤色光と緑色光に変換し、青、赤、緑色光が混色された白色光を発光する装置である。
図１（ａ），（ｂ）に実施形態１の発光装置の断面図および上面図を示す。予め電極や配線が形成された基板１上には、図１（ａ）に示すようにＡｕバンプ２によりフリップチップ型の半導体発光素子３が実装され、その上に、透明接着層４を介して色変換プレート５が搭載されている。半導体発光素子３および色変換プレート５の側面は、光反射枠部６によって包囲されている。
フリップチップ型半導体発光素子３は、図示していないが、青色光に対して透明な素子基板と、その上に積層された発光層とを有し、発光層を基板１側に、素子基板を色変換プレート５側に向けて配置されている。発光素子３は、青色光を発する。
色変換プレート５は、板状であり、下面（半導体発光素子３側の面）には複数の半球状の赤色蛍光体領域２２が所定の間隔で配列して配置され、上面（光出射側の面）には複数の半球状の緑色蛍光体領域２３が所定の間隔で配列して配置されている。赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３は、色変換プレート５を上面から見たときに、お互いに重なり合わないように配置されている。赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３を除いた領域２１には、赤、緑および青色光に対して透明な領域であり、蛍光体は分散されていない。
赤色蛍光体領域２２の基材となる材料としては、赤、緑および青色光に対して透明な材料であって、印刷手法によって成型可能な材料であることが望ましく、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。蛍光体領域２２には、青色光を励起光として赤色の蛍光を発する蛍光体が分散されている。例えばCaAlSiN3:Eu、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu、(Ca,Sr)S:Euを用いることができる。緑色蛍光体領域２３には、青色光を励起光として緑色の蛍光を発する蛍光体が分散されている。例えば(Ba,Sr)2SiO4:Eu、CaSc2O4:Ce、(Ca,Sr)Ga2S4:Eu、Ca8MgSi4O16Cl2:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Euを用いることができる。赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の基材となる材料としては、赤、緑および青色光に対して透明な材料であって、印刷手法によって成型可能な材料であることが望ましく、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。
透明領域２１の材料としては、赤、緑および青色光に対して透明な材料であって、凹状の加工が可能な材料であることが望ましく、例えばガラス、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。
このような構造であるため、色変換プレート５は、蛍光体が分散されていない領域２１（海領域）に、半球状の赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３が島状に形成された海島構造のプレートである。
透明接着層４は、半導体発光素子３に色変換プレート５を接着する接着剤の層であり、少なくとも青色光に透明な材質からなる。
光反射枠部６は、樹脂に屈折率の異なるフィラーを分散した材料によって構成されている。フィラーとしては、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、硫酸バリウムなどから適宜選択して用いる。
このような本実施形態の発光装置において、発光素子３から出射された青色光は、透明接着層４を通過し、色変換プレート５の下面（発光素子３側の面）に入射する。図２に示すように、色変換プレート５の下面には、赤色蛍光体領域２２が点在し、その間に透明領域２１が広がっている構成であるため、青色光の一部は、赤色蛍光体領域２２に入射し、残りの一部は、透明領域２１を通って緑色蛍光体領域２３に入射し、さらに残りの一部は、透明領域２１を透過し、直接上面から出射される。これにより、色変換プレート５の上面からは、赤色蛍光体領域２２が青色光で励起されて発した赤色蛍光と、緑色蛍光体領域２３が青色光で励起されて発した緑色蛍光と、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３で吸収されなかった青色光と、透明領域２１を通って直接出射された青色光が出射される。よって、色変換プレート５の上面からは、赤色光、緑色光、青色光が混色された白色光が出射される。
このとき、赤色蛍光体領域２２で生じた赤色蛍光の一部は、透明領域２１を通って緑色蛍光体領域２３に通過し、色変換プレート５の上面から出射される。緑色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、図３に示すように赤色光波長領域よりも短波長側に位置するため、赤色蛍光は透明領域２１で吸収されることなく透過することができ、赤色蛍光強度が減衰しない。
一方、緑色蛍光体領域２３で生じた緑色蛍光のうち上方へ向かう光のほとんどは、赤色蛍光体領域２２を通過することなく、色変換プレート５の上面から出射される。赤色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、緑色光波長領域にかかっているため、赤色蛍光体は緑色蛍光を吸収するが、本実施形態では、緑色蛍光のうち上方へ向かう光が赤色蛍光体領域２２を通過しないで色変換プレート５の上面に到達することができるため、緑色蛍光をほとんど減衰させることなく出射することができる。
また、発光素子３と色変換プレート５の側面は、光反射枠部６により包囲されているため、発光素子３の透明性基板の側面から出射した光を効率よく反射して色変換プレート５に入射させることができる。これにより、色変換プレートの色変換効率および出射効率を高めることができる。
また、赤色蛍光体領域２２を半球形状としたことにより透明領域２１との界面が半球状になっている。島部（赤色蛍光体領域２２）の蛍光体から放射状に発せられる蛍光が垂直またはそれに近い角度で海部との界面に入射するため、界面で反射されにくく高効率で透明領域２１に入射することができる。これにより、赤色蛍光体領域２２からの赤色蛍光の光の取出し効率が、従来技術の赤色蛍光体分散樹脂層と緑色蛍光体分散樹脂層とを積層した構造と比べて高くなるという作用もある。
本実施形態の発光装置は、赤色蛍光体領域２２に含有される蛍光体量および半球状の領域サイズ（径）を調整することにより、赤色光の強度を調整することができる。また、赤色蛍光体領域２２の領域サイズを調整することにより、透明領域２１を通って緑色蛍光体領域２３に入射する青色光の光量が変化するため、緑色光の強度も変化する。さらに、緑色蛍光体領域２３に含有される蛍光体量および半球状の領域サイズ（径）を調整することによっても、緑色光の強度を調整することができる。このように、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の蛍光体領域およびサイズを調整することにより、白色光の色度や輝度を所望の値に変化させることができる。
なお、白色光の色度や輝度の均一性は、島状の赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の径に影響を受けるため、必要とされる色度の均一性が得られるように径を調整する。例えば、色変換プレート５の一辺が１ｍｍ程度である場合には、一つの領域２２または２３の径は２０μｍ以上２００μｍ以下、領域２２の間隔、および、領域２３の間隔は、２０μｍ以上２００μｍ以下、の程度であることが色度の均一性が高いため望ましい。
また、本実施形態の色変換プレート５は一般的な印刷法を利用し、多数枚を連続した１枚の大面積プレートとして製造した後、個々に切り出して多数枚を一度に製造することが可能である。よって、個々の色変換プレート５の色変換機能は、同一ロット（同一大面積プレート）内で一定であり、個々の半導体発光素子に色変換材を塗布形成していた従来技術と比較して製品の色バラツキ歩留まりを大幅に向上させることができる。
以下、本実施形態の色変換プレート５の製造方法について図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
まず、半球状の凹部４１、１４１が両面にオフセットされて形成された基板（領域２１）を用意する。例えば、溶融ガラス成形プレートや、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、もしくは、その複合樹脂を用いた射出成形プレートなどを基板（領域２１）用意し、基板の両面に、金型により半球状の凹部を転写成型する。このとき、両面の凹部は互いに重ならない位置に形成する。
次に、図４（ｂ）のように緑色蛍光体を所定濃度で分散させた熱硬化性樹脂１４２を、スキージ印刷法や滴下法などで凹部１４１に充填して硬化させる。充填された樹脂が緑色蛍光体領域２３となる。
次に、基板を裏返し、図４（ｃ）のように赤色蛍光体を所定濃度で分散させた熱硬化性樹脂４２を、スキージ印刷法などで凹部４１に充填して硬化させる。充填された樹脂が赤色蛍光体領域２２となる。
最後に、図１４（ｄ）のように切削歯４３等で発光素子３のサイズと同等もしくはそれ以上のサイズに分割し、色変換プレート５を製造する。
別途用意しておいた基板１上にＡｕバンプ２により、青色発光の半導体発光素子３をフリップチップ実装する。その上に透明接着層４を形成し、色変換プレート５を赤色蛍光体領域２２が形成されている面を発光素子３側に向けて搭載する。
最後に、熱硬化性樹脂等の樹脂に酸化チタン等のフィラーを分散させたものを発光素子３および色変換プレート５の側面全周にディスペンサー塗布装置等で塗布した後硬化させる。以上により、図１（ａ），（ｂ）の発光装置が完成する。
なお、本実施形態では、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の側面から見た形状を半円状としたが、完全な半円でなくともよく、透明領域２１との界面が曲面の凸形状であれば同様の作用および効果が得られる。
本実施形態においては赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３は上面視で重なり合わないようにしているが、これに限らず例えば各領域の端部程度ならば一部重なっていてもよい。ただし、この場合であってもそれぞれの領域の中心位置は重なり合わないように配置し、赤色蛍光体領域２２を通過しない青色光を緑色蛍光体領域２３に到達させることが好ましい。
また、本実施形態では、上面視において赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３のいずれとも重ならない透明領域２１のみの領域を設けているが、所望する白色光の色度が、各蛍光体領域を吸収されずに透過する青色光のみで十分達成できるならば、この構成に限定されるものではなく、透明領域２１は、上面視において必ずいずれかの蛍光体領域と重なるようにしてもよい。
＜実施形態２＞
実施形態２の発光装置について図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図５（ａ），（ｂ）の発光装置では、予め電極や配線が形成された基板１上に青色光を発する半導体発光素子５３がＡｕＳｎ共晶５７およびＡｕボンディングワイヤー５６により実装されている。半導体発光素子５３の上には、透明接着層４を介して色変換プレート５が接着されている。
半導体発光素子５３は、素子基板とその上に形成された発光層とを含み、素子基板は青色光に対して不透明なメタルボンディング（Metal Bonding：ＭＢ）素子である。以下、実施形態において、半導体発光素子５３をＭＢ素子と呼ぶ。ＭＢ素子５３は、素子基板を基板１側に、発光層を色変換プレート５側に向けて基板１上にＡｕＳｎ共晶５７によりダイボンディングされている。ＭＢ素子５３の上面には不図示のＡｕワイヤパッドが形成されており、ボンディングワイヤー５６により基板１上の電極と接続される。
色変換プレート５の領域２１、２２，２３の構造は、実施形態１と同様の構成であるが、ＭＢ素子５３上面のボンディングワイヤー５６がボンディングされる領域を避けて配置する必要がある。そこで、実施形態２では図５（ａ），（ｂ）に示すように、色変換プレート５の端部に切り欠き５８を設けている。
実施形態２の色変換プレート５の製造方法は、図４（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態１の製造方法と同様であるが、図４（ａ）の工程で緑色蛍光体分散プレートを金型加工する際に、図６に示すように、発光素子３表面のＡｕワイヤパッド形状に対応した形状の切り欠き５８を穴部として形成する。なお、大面積プレートにおいて隣接する色変換プレート５の切り欠き５８を連結させた共通穴部を形成することにより、加工が容易になる。分割加工を高精度に行うことができ大量生産化が可能となる。
図４（ｂ）、図４（ｃ）の工程において島部となる緑色蛍光体領域２３および赤色蛍光体領域２２を形成する際には、実施形態１と同様にスキージ印刷などで印刷するが、切り欠き５８に蛍光体が充填されるのを避けるために、切り欠き５８をマスクでカバーすることが望ましい。
図４（ｃ）の工程で、切削歯により大面積プレートを図６のように切断することにより、切り欠き５８が形成された色変換プレートを製造することができる。
実施形態２の発光装置の色変換の作用および効果は実施形態１と同様である。
＜実施形態３＞
次に、実施形態３の発光装置について説明する。実施形態３の発光装置は、その断面図および上面図を図７（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示したように、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の形状が、断面が半円のストライプ状、すなわち、円筒を軸方向に沿って半分にした形状である。赤色蛍光体領域２２は、複数本所定の間隔をあけて平行に並べて配置されている。色変換プレート５の下面側に、緑色蛍光体領域２３は色変換プレート５の上面側に、複数本所定の間隔をあけて平行に並べて配置されている。赤色蛍光体領域２２の中心軸と、緑色蛍光体領域２３の中心軸は、色変換プレート５を上面から見た場合に重ならない位置に、オフセットして配置されている。
赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の形状以外は、実施形態１の発光装置と同様であるので説明を省略する。
また、発光素子３から出射された青色光が、色変換プレート５を通過することにより、赤色蛍光、緑色蛍光および青色透過光が得られ、これらが混合されることにより白色光が得られる作用も実施形態１と同様である。
実施形態３では、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の形状をストライプ状にしたことにより、第１の実施形態の半球状の領域２２，２３を備える色変換プレート５と比較して、隣接する赤色蛍光体領域２２の間隙を狭めることにより、色変換プレート５の下面の透明領域２１の面積を小さくすることができる。同様に、緑色蛍光体領域２３の間の透明領域２１の面積を小さくすることができる。これにより、色変換プレート５の透明領域２１を透過する青色光を割合を実施形態１よりも低減し、赤色蛍光および緑色蛍光の割合を増加させることが可能になる。逆に、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の幅を狭めることにより、青色光を割合を増加させることも可能である。このように、色変換プレート５の上面から出射される光に含まれる青色光の割合の調整幅が実施形態１よりも広がるため、色変換プレート５の出射光の色度の調整幅が大きいという効果が得られる。これは、実施形態１では赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の円の２次元配置が最密であっても星状の隙間が残るのに対して、本実施形態のストライプ状では隙間をゼロに近づけることができるためである。
なお、白色光の色度や輝度の均一性は、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の幅に影響を受けるため、必要とされる色度の均一性が得られるようにストライプの幅を調整する。例えば、色変換プレート５の一辺が１ｍｍ程度である場合には、一つの領域２２または２３の幅は２０μｍ以上２００μｍ以下、領域２２同士の間隔、および、領域２３同士の間隔は、３０μｍ以上３００μｍ以下、の程度であることが色度の均一性が高いため望ましい。
また、実施形態３の色変換プレート５の製造方法は、基板（領域２１）に形成する凹部４１，１４１の形状が平行なストライプ状である以外は、実施形態１の色変換プレート５の製造方法と同様である。
＜実施形態４＞
実施形態４として、実施形態３と同様の構造の色変換プレート５を用い、半導体発光素子５３としてＭＢ素子を用いた発光装置を、図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ），（ｂ）は、発光装置の断面図および上面図である。
この発光装置は、実施形態２のＭＢ素子５３を用いた発光装置と同様に、ＭＢ素子５３のボンディングワイヤー５６をボンディングする領域を避けるために、色変換プレート５に切り欠き５８が形成されている。ＭＢ素子５３の構成は、実施形態２と同様であり、色変換プレート５の構成および作用は、実施形態３と同様であるので、詳しい説明を省略する。
＜実施形態５＞
次に、実施形態５の発光装置について説明する。実施形態５の発光装置は、その断面図および上面図を図９（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示したように、実施形態３の発光装置と同様に、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の形状が、断面が半円のストライプ状であるが、本実施形態５では赤色蛍光体領域２３の軸方向が、緑色蛍光体領域２２の軸方向と直交するように配置されている。すなわち、赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３が格子状に配置されている。これ以外の構成は実施形態３の発光装置と同様であるので説明を省略する。
また、発光素子３から出射された青色光は、色変換プレート５を通過することにより、その一部が、図１０のように赤色蛍光および緑色蛍光に変換される。また、青色光の一部は、透明領域２１を直接透過し、もしくは、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３で吸収されずに透過する。これらが混合されることにより白色光が得られる。これらの作用は実施形態３と同様である。
本実施形態５では、ストライプ状の赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３を直交するように配置したことにより、色変換プレート５を上面から見たときに、赤色蛍光体領域２２間の間隙と緑色蛍光体領域２３間の間隙が重なる位置に四角形の透明領域１１が縦横に配列された構成となる。この透明領域１１から発光素子３の青色光が直接、色変換プレート５を透過するため、本実施形態５の発光装置は、実施形態４の発光装置よりも青色光の強度を大きくするのに適した構造である。
また、実施形態５の発光装置は、基板（領域２１）に形成する凹部４１，１４１の形状が直交するストライプ状である以外は、実施形態１の色変換プレート５の製造方法と同様である。
＜実施形態６＞
実施形態６として、実施形態５と同様の構造の色変換プレート５を用い、半導体発光素子５３としてＭＢ素子を用いた発光装置を、図１１（ａ），（ｂ）に示す。図１１（ａ），（ｂ）は、発光装置の断面図および上面図である。
この発光装置は、実施形態４のＭＢ素子５３を用いた発光装置と同様に、ＭＢ素子５３のボンディングワイヤー５６をボンディングする領域を避けるために、色変換プレート５に切り欠き５８が形成されている。色変換プレート５の構成および作用は、実施形態５と同様であるので、詳しい説明を省略する。
＜実施形態７＞
次に、実施形態７の発光装置について説明する。実施形態７の発光装置は、その断面図および上面図を図１２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示したように、色変換プレート５は、透明領域（基板）２１を厚さ方向に貫通する複数の円柱状の赤色蛍光体領域２２と、緑色蛍光体領域２３とを有する。複数の赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域は、色変換プレート５を上面から見たときに交互に位置するように配列されている。他の構成は、実施形態１と同様である。
このような本実施形態の発光装置において、発光素子３から出射された青色光は、透明接着層４を通過し、色変換プレート５の下面（発光素子３側の面）に入射する。図１３に示すように、色変換プレート５の下面には、円柱状の赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３の下面が一定の間隔で露出し、その間に透明領域２１があるため、青色光は赤色蛍光体領域２２、緑色蛍光体領域２３および透明領域２１に同時に入射する。これにより、赤色蛍光体領域２２では赤色蛍光が発せられ、緑色蛍光体領域２３では緑色蛍光が発せられ、色変換プレート５の上面から出射される。また、透明領域２１を透過した青色光、および、各蛍光体領域２２，２３で吸収されなかった青色光が、色変換プレート５の上面から出射される。これにより、赤色光、緑色光、青色光が混色された白色光が、色変換プレート５の上面から出射される。
赤色蛍光体領域２２で生じた赤色蛍光は、大部分は円筒状の領域を通過してそのまま上面から出射され、一部は、円柱状の赤色蛍光体領域２２の側面から透明領域２１に入射して、隣接する緑色蛍光体領域２３に入射する。このとき、緑色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、図３に示すように赤色光波長領域よりも短波長側に位置するため、赤色蛍光は緑色蛍光体領域２３で吸収されることなく透過することができ、赤色蛍光強度が減衰しない。
一方、緑色蛍光体領域２３で生じた緑色蛍光の大部分は、円柱状の緑色蛍光体領域２３を上方に進み、そのまま上面から出射され、一部は、円柱状の緑色蛍光体領域２３の側面から透明領域２１に入射して、隣接する赤色蛍光体領域２２に入射する。このとき、赤色蛍光体の吸収スペクトルの吸収端は、図３に示すように緑色光の波長領域にかかっているため、赤色蛍光体は緑色蛍光を吸収する。しかしながら、緑色蛍光の大部分は上方へ向かい、赤色蛍光体領域２２を通過しないで色変換プレート５の上面に到達することができるため、緑色蛍光をほとんど減衰させることなく出射させることができる。
また、発光素子３と色変換プレート５の側面には、光反射枠部６により包囲されているため、発光素子３の透明性基板の側面から出射した光を効率よく色変換プレート５に導くことができる。これにより、色変換プレート５の色変換効率および出射効率を高めることができる。
色変換プレート５から発せられる白色光の色度や輝度の均一性は、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の径に影響を受けるため、必要とされる色度の均一性が得られるように径を調整する。たとえば、色変換プレート５の一辺が１ｍｍ程度である場合には、一つの赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の径は２０μｍ以上２００μｍ以下、間隔は２０×√２μｍ以上２００×√２μｍ以下程度であることが色度の均一性が高いため望ましい。
本実施形態７の発光装置の他の作用および効果は、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
以下、本実施形態７の色変換プレート５の製造方法について図１４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。本製造方法は、実施形態１の図４（ａ）〜（ｄ）の製造方法と大部分は同様であるので、異なる部分のみ説明する。
基板（領域２１）には、予め円筒状の貫通孔４１，１４１を形成しておく。形成方法は、金型により転写成形や、レーザーや精密ドリルによる穴開け加工等を用いる。
次に、図１４（ｂ）のように、貫通孔１４１の位置に開口を有し、貫通孔４１をカバーする形状のマスク１５１を基板上に配置し、緑色蛍光体を所定濃度で分散させた熱硬化性樹脂１４２を、スキージ印刷法などで貫通孔１４１に充填して硬化させる。充填された樹脂が緑色蛍光体領域２３となる。
図１４（ｃ）のように、貫通孔４１の位置に開口を有し、貫通孔１４１をカバーする形状のマスク１５２を基板上に配置し、赤色蛍光体を所定濃度で分散させた熱硬化性樹脂４２を、スキージ印刷法などで貫通孔４１に充填して硬化させる。充填された樹脂が緑色蛍光体領域２２となる。
最後に図１４（ｃ）のように切削歯４３等で所定サイズに分割し、色変換プレート５を製造する。
実施形態７の発光装置は、上述の実施形態１〜６の発光装置と比べて以下のような効果が得られる。
（１）半導体発光素子３から出射された青色光が、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３および透明領域２１に対して、同一平面（色変換プレート５下面）で入射させることができる。
（２）赤色蛍光体領域２２から出射される赤色光、緑色蛍光体領域２３から出射される緑色光および透明領域２１を透過する青色光は、光出射方向に対して遮蔽物がなく、効率よく外部に取り出すことができる。
（３）赤色蛍光体領域２２から出射される赤色光、緑色蛍光体領域２３から出射される緑色光、透明領域２１を透過する青色光は、各々の領域が隣接するため、効率よく混色することができる。
なお、本実施形態７において、緑色蛍光体領域２３の基材樹脂の緑色蛍光に対する屈折率を透明領域２１の緑色蛍光に対する屈折率よりも高くすることが可能である。これにより、緑色蛍光体領域２３が導波路構造になり、生じた蛍光が緑色蛍光体領域２３内に閉じ込められて、内部を伝搬して上面から出射されるため、赤色蛍光体領域２３によって吸収されず、緑色蛍光の取り出し効率を高めることができる。同様に、赤色蛍光体領域２３の基材樹脂の赤色蛍光に対する屈折率を透明領域２１の赤色蛍光に対する屈折率よりも高くして、赤色蛍光体領域２３を導波路構造にすることも可能である。
＜実施形態８＞
実施形態８として、実施形態７と同様の構造の色変換プレート５を用い、半導体発光素子５３としてＭＢ素子を用いた発光装置を、図１５（ａ），（ｂ）に示す。図１５（ａ），（ｂ）は、発光装置の断面図および上面図である。
この発光装置は、実施形態２のＭＢ素子５３を用いた発光装置と同様に、ＭＢ素子５３のボンディングワイヤー５６をボンディングする領域を避けるために、色変換プレート５に切り欠き５８が形成されている。ＭＢ素子５３の構成は、実施形態２と同様であり、色変換プレート５の構成および作用は、実施形態３と同様であるので、詳しい説明を省略する。
上述してきた実施形態１〜８では、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３が、半球状、半円柱状、円柱状の場合について説明したが、形状はこれらに限定されるものではない。例えば、側面から見た形状が、図１６（ａ），（ｂ），（ｃ）のように見える円錐、三角錐や四角錐や六角錐等の多角錐、円柱、三角柱や四角柱や六角柱等の多角柱にすることも可能である。また、これら以外の曲面形状であっても構わない。
また、色変換プレート５の下面および上面から赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３が突出していてもよく、突出している部分の形状は、所望の形状にすることが可能である。例えば、半球状、半円柱状、円柱状、円錐、三角錐や四角錐や六角錐等の多角錐、円柱、三角柱や四角柱や六角柱等の多角柱、これら以外の曲面形状にすることができる。また、突出している部分には、蛍光体を分散せず、透明体とすることも可能である。
また、実施形態１，２，７，８の色変換プレート５の場合、上面から見た赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の形状および配置を、図１６（ｄ）〜（ｈ）のような形状および配置にすることも可能である。また、上面から見た赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３の配置は、図１６（ｄ）〜（ｈ）以外の種々の配置にすることも可能であり、例えば、正方形の格子の各頂点に赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３を交互に配置することが可能である。
また、上述の各実施形態では、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３を蛍光体を分散させた樹脂等の基材により形成したが、基材を用いず、蛍光体を乾式吹き付け法等で直接充填することも可能である。
また、透明領域２１、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３には、必要に応じて拡散材等のフィラーや色素を分散させることも可能である。
本実施形態の効果をまとめると以下のようになる。
（１）実施形態１〜６のように、色変換プレート５の発光素子３側の面（下面）に赤色蛍光体領域２３、上面（光出射側の面）に緑色蛍光体領域２４を配置することにより、発光素子３からの光が領域２２，２３に効率よく入射するため、各蛍光体の励起効率が向上する。
（２）実施形態１〜６のように、赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３の二次元配列を、中心位置もしくは中心軸が互いに重複しないようにオフセットまたは直交させて配置することで、各蛍光体からの発光を効率よく外部に取り出すことができる。
（３）実施形態７，８のように、色変換プレート５の発光素子３の下面から上面に貫通孔を設け、赤色蛍光体領域２２および緑色蛍光体領域２３を円柱状に所定間隔で配置することにより、発光素子３からの光が料領域に効率よく入射するため、各蛍光体の励起効率が向上する。
（４）実施形態７，８のように赤色蛍光体領域２２と緑色蛍光体領域２３を互いに隣接するように交互に配置することにより、各蛍光体からの発光を効率よく外部に取り出すことができる。
本発明の発光装置は、例えば、ＬＣＤバックライト、一般照明、街路灯、などライティングに用いるＬＥＤ光源として利用することができる。

Claims (1)

  1. 発光素子と、前記発光素子の上に搭載され、当該発光素子の発する光を吸収し蛍光を発する色変換プレートとを有し、
    前記色変換プレートは、断面が半円のストライプ状の凹部が両面にそれぞれ複数形成された基板と、前記基板の前記発光素子側の面の前記複数のストライプ状の凹部に第１の蛍光体を所定の濃度で充填することにより形成された第１領域と、前記基板の前記発光素子側の面とは逆側の前記複数のストライプ状の凹部に第２の蛍光体を所定の濃度で充填することにより形成された第２領域とを含み、
    前記第１の蛍光体の発する蛍光波長は、前記第２の蛍光体の発する蛍光波長よりも長波長であり、
    前記基板の前記第１領域および前記第２領域は、前記基板の厚さ方向に間隔をあけて離れて配置され、前記第１領域と前記第２領域との間は蛍光体が含まれない透明領域であり、
    前記色変換プレートの両面の複数のストライプ状の凹部は互いに平行であり、前記色変換プレートを上から見た場合に、前記第１領域の中心軸は、前記第２領域の中心軸に対して重ならない位置にオフセットして配置され、前記色変換プレートを上から見た場合の前記第１領域と第２領域の間の隙間をゼロに近づけることができるように構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
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