JP6301097B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の半導体発光素子を接続して各種光源として使用する半導体発光装置に関する。
従来、化合物半導体である発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略す）は、長寿命や小型化の特徴を生かして発光装置として幅広く利用されている。また、窒化ガリウム系化合物半導体等による青色を発光するＬＥＤが開発されたことにより、白色光や疑似白色光の発光装置も製品化が進み、ＬＥＤの放熱を工夫した高輝度高出力の発光装置も製品化されている。また、ひとつのＬＥＤ素子では発光量に限界があるために、少ない実装面積に多くのＬＥＤ素子を実装して大きな光量を得る集合型の半導体発光装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の半導体発光装置は、基板に実装される第１のＬＥＤ素子と、この第１のＬＥＤ素子上に積層状態でずれて実装される第２のＬＥＤ素子とを有し、第１のＬＥＤ素子は上面にｐ、ｎ電極を有し、第２のＬＥＤ素子は下面にｐ、ｎ電極を有する。そして、第２のＬＥＤ素子のｐ電極は隣接した第１のＬＥＤ素子の一方のｎ電極に接着され、第２のＬＥＤ素子のｎ電極は、隣接した第１のＬＥＤ素子の他方のｐ電極に接着される構成が開示されている。これによって、第２のＬＥＤ素子が第１のＬＥＤ素子に対してずれて積層状態に実装されるので、ＬＥＤ素子の実装面積が小さくなると共に、単位面積あたりの光束密度を向上させることが出来、パッケージ全体の小型化と輝度の向上が提示されている。
また、特許文献２では、ｎ側電極とｐ側電極を有する第１のＬＥＤ素子と、透明な基板の表面側に半導体層が積層され、ｎ側電極とｐ側電極を有し表面側に半導体層が積層されると共に、電極が設けられた側を第１のＬＥＤ素子と逆向きにして配設される第２のＬＥＤ素子とを備え、第１および第２のＬＥＤ素子のｎ側電極もしくはｐ側電極の異なる側の電極同士が直接接着され、第１および第２のＬＥＤ素子が３個以上交互に直線状に並んで、直列に接続されてなる半導体発光素子が開示されている。この構成により、ＬＥＤ素子間の隙間がないため、同じＬＥＤ素子の数を接続した同じ光量の発光素子に対して、約１／２に小形化できることが提示されている。
また、特許文献３では、配線基板上に２層にスタックされた複数のＬＥＤ素子を有し、上層のＬＥＤ素子と下層のＬＥＤ素子とをバンプを介して交互に直列接続してなる半導体発光装置が開示されている。この半導体発光装置の配線基板はＬＥＤ素子収納用の凹部を有しており、凹部内に下層のＬＥＤ素子を収納すると共に、上層のＬＥＤ素子の全部又は一部と配線基板に形成された配線パターンとをバンプを介して電気的に接続している。この構成により、ＬＥＤ素子の発熱を配線基板を通して放熱することができ、また、上下層のＬＥＤ素子と配線基板に形成された配線パターンとを、ボンディングワイヤを使用せずに接続するので、光源部を小型に出来、半導体発光装置の小型化と照光部の高照度化が提示されている。
特開２００７−１１５９２８号公報（第４頁、第１図） 特開平１０−１７３２２５号公報（第３頁、第１図） 特開２００９−９４２９４号公報（第５頁、第１図）
しかしながら、特許文献１〜３の従来技術は、いずれもＬＥＤ素子の高密度実装が可能であり、高輝度高出力が特徴であるが、近年、発光装置に要求される優れた演色性、すなわち、真の白色光に近い発光や、用途に応じて多種多様な発光色を備えた発光に対しては、十分に要求を満たすことが出来なかった。
本発明の目的は上記課題を解決し、優れた演色性を有し、用途に応じて発光色を任意に選択できる小型で高輝度な半導体発光装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、下記記載の構成を採用する。
本発明の半導体発光装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層にそれぞれ接続する外部接続電極を有し、少なくとも前記外部接続電極以外の外周面を蛍光体を含有する樹脂で被覆した蛍光型半導体発光素子を備え、該蛍光型半導体発光素子の前記外部接続電極同士を電気的接続手段を介して接続することで複数の前記蛍光型半導体発光素子を直列接続して発光素子集合体を構成し、発光素子集合体は、蛍光型半導体発光素子の隣同士の外部接続電極を向き合わせて接続することで、蛍光型半導体発光素子の隣同士が厚み方向で重なり上層下層となるように構成し、発光素子集合体は、蛍光型半導体発光素子の隣同士を直線方向または直角方向に接続して所定の発光エリアを分担するように構成することを特徴とする。
また、外部接続電極は略正方形であり、蛍光型半導体発光素子の長手方向に対となって離れて配置されることを特徴とする。
また、発光素子集合体を二つ以上並列接続して構成することを特徴とする。
またさらに、導電パターンが形成され貫通孔を有する絶縁基板と金属板が積層され、
発光素子集合体が貫通孔内に配置されることで、下層側の蛍光型半導体発光素子が貫通孔によって露出した金属板に密着し、発光素子集合体の両端部に位置する上層側の蛍光型半導体発光素子の外部接続電極が導電パターンに電気的に接続されることで、発光素子集合体に駆動電圧が供給されることを特徴とする。
また、上層の蛍光型半導体発光素子の蛍光体と下層の蛍光型半導体発光素子の蛍光体が異なることを特徴とする。
また、上層の蛍光型半導体発光素子の蛍光体は緑蛍光体であり、下層の蛍光型半導体発光素子の蛍光体は赤蛍光体であることを特徴とする。
また、発光素子集合体は拡散材を含有した樹脂によって封止されることを特徴とする。
また、発光素子集合体は蛍光体を含有した樹脂によって封止されることを特徴とする。
また、蛍光型半導体発光素子は略コ形に直列接続して発光素子集合体を構成し、該発光素子集合体は電極部に支持されて駆動電圧が供給されることを特徴とする。
また、略コ形に形成された発光素子集合体は、略球形の樹脂で封止されることを特徴とする。
本発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子の外周面を蛍光体を含有した樹脂で被覆した蛍光型半導体発光素子によって構成されるので、半導体発光素子ごとに異なる蛍光体を含有した樹脂で被覆することが可能であり、演色性に優れ、用途に応じて多様な発光色を選択できる半導体発光装置を提供することができる。
また、蛍光型半導体発光素子の隣同士の電極を向き合わせて直接接続することで、蛍光型半導体発光素子の隣同士が厚み方向で重なり、上層下層の２層で構成されるので、実装密度が高く、小型で高輝度高出力の半導体発光装置を実現できる。また、蛍光型半導体発光素子同士を直接接続し、且つ、下層側の蛍光型半導体発光素子は金属板に密着しているので放熱効果に優れている。また、蛍光型半導体発光素子を電球型フィラメントの形状に近いコ形に直列接続し、略球形の樹脂で封止することで、白熱電球と同等の外形と発光形状を有する半導体発光装置を実現できる。
本発明で使用される蛍光型半導体発光素子を説明する断面図と背面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光装置の上面図と断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光装置の一部を拡大した上面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光装置の斜視図と、この半導体発光装置に実装される発光素子集合体の一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光装置の動作を説明する説明図である。 本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光装置の出射光の波長分布の一例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例に係わる半導体発光装置の出射光の波長分布の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係わる半導体発光装置の動作を説明する説明図である。 本発明の第２の実施形態に係わる半導体発光装置の出射光の波長分布の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の変形例に係わる半導体発光装置の出射光の波長分布の一例を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係わる半導体発光装置の構成を説明する側面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる半導体発光装置内部のコ形に直列接続した発光素子集合体の斜視図である。
以下図面に基づいて本発明の半導体発光装置の具体的な実施の形態、及びその変形例を詳述する。
［各実施形態の特徴］
第１の実施形態の特徴は、直列接続された複数の蛍光型半導体発光素子が上層下層の２層で構成され、上層側と下層側で異なる蛍光体を含有した樹脂で被覆された発光素子集合体で構成されることである。第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態と同様な発光素子集合体を封止する樹脂に所定の蛍光体が含有されていることである。第３の実施形態の特徴は、蛍光型半導体発光素子が略コ形に直列接続されて、電球型フィラメントに近い発光形状を備えた電球型発光装置である。
［本発明で使用される蛍光型半導体発光素子の概略説明：図１］
まず、本発明で使用される蛍光型半導体発光素子（以下、蛍光型ＬＥＤと略す）の構造を図１を用いて説明する。図１は蛍光型ＬＥＤを模式的に示しており、図１（ａ）において、蛍光型ＬＥＤ１０は、サファイヤ基板で成る透明基板１上にｎ型窒化物半導体層２及びｐ型窒化物半導体層３が形成され、このｎ型窒化物半導体層２及びｐ型窒化物半導体層３上にｎ側電極５ａ及びｐ側電極５ｂを有している。このｎ型窒化物半導体層２及びｐ型窒化物半導体層３の積層構造によって、半導体発光素子４（以下、ＬＥＤ素子４と略す）が形成される。
また、これら半導体層は、樹脂材料より構成される絶縁層６で被覆されている。この絶縁層６には、スルーホール６ａ、６ｂが設けられており、絶縁層６の図面上の下面である電極面６ｃに形成された外部接続電極７、８は、スルーホール６ａ、６ｂを介して、ｎ側電極５ａ及びｐ側電極５ｂにそれぞれ接続されている。すなわち、外部接続電極７がｎ側電極５ａに接続され、外部接続電極８がｐ側電極５ｂに接続される。
また、外部接続電極７、８が形成された電極面６ｃ以外の蛍光型ＬＥＤ１０の外周面、すなわち、透明基板１の図面上の上面と透明基板１の側面および絶縁層６の側面は、蛍光体９ａを含有する樹脂で成る蛍光樹脂９によって被覆されている。なお、蛍光樹脂９は、図示しないが外部接続電極７、８の領域を除いた電極面６ｃを被覆してもよい。
次に、図１（ｂ）は蛍光型ＬＥＤ１０の背面側、すなわち、外部接続電極７、８が形成された電極面６ｃ側からの図面であり、図示するように、外部接続電極７、８は略正方形であり、蛍光型ＬＥＤ１０の長手方向に対となって配置されている。なお、図中の破線で示す長方形は、絶縁層６とこの絶縁層６を被覆する蛍光樹脂９の境界を表している。
ここで、ＬＥＤ素子４が青色ＬＥＤであり、蛍光樹脂９に含有する蛍光体９ａが赤蛍光体であるとすると、図示しない手段によって外部接続電極７、８間に所定の駆動電圧を供給することで、蛍光型ＬＥＤ１０からは、青色光Ｂと、青色光Ｂが蛍光体９ａによって波長変換された赤色光Ｒが、図１（ａ）に示すように出射される。ここで、蛍光型ＬＥＤ１０の上面と側面は、蛍光樹脂９で広く覆われているので、青色光Ｂと赤色光Ｒは、上面だけでなく側面も幅広く拡散される。
［第１の実施形態の構成説明：図２］
次に、本発明の第１の実施形態の構成を図２を用いて説明する。ここで、図２（ａ）は、本発明の半導体発光装置の上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の切断線Ａ−Ａ′で半導体発光装置を切断した断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、符号２０は、本発明の第１の実施形態の半導体発光装置である。半導体発光装置２０は、略正方形のアルミ材等で成る金属板２１の表面に絶縁基板２２が積層されて固着している。
絶縁基板２２の中央部には貫通孔２２ａが形成され、この貫通孔２２ａから金属板２１の表面が露出している構造である。すなわち、絶縁基板２２に貫通孔２２ａが形成され、貫通孔２２ａの下面（底面）が金属板２１で構成されるので、絶縁基板２２の中央部に円形の凹部が形成されることになり、この凹部に後述する蛍光型ＬＥＤ１０の集合体が配置される。なお、金属板２１は蛍光型ＬＥＤ１０からの発熱を放熱する機能と、出射光を前面に反射する機能とを備えている。
絶縁基板２２の表面には、銅箔等で成る一対の導電パターン２３、２４が形成されている。この導電パターン２３、２４は、貫通孔２２ａの縁の一部に沿って対向して円弧を描くように形成され、導電パターン２３、２４の端部は、それぞれ絶縁基板２２の対角に延びて、外部電極２３ａ、２４ａが形成される。
符号３０、３１、３２は、前述した蛍光型ＬＥＤ１０を直列接続した三つの発光素子集合体（以下、ＬＥＤ集合体と略す）である。各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、蛍光型ＬＥＤ１０の隣同士を向き合わせて、隣同士の外部接続電極７、８（図１参照）が半田等（図示せず）の電気的接続部材によって電気的に接続されている。ここで、蛍光型ＬＥＤ１０の隣同士を互いに向き合わせて接続することで、図２（ｂ）で示すように、蛍光型ＬＥＤ１０は厚み方向で重なり、上層と下層の２層構造となる。
このように構成されるＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、絶縁基板２２の貫通孔２２ａ内に配置され、貫通孔２２ａから露出している金属板２１の表面に各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２の下層側の蛍光型ＬＥＤ１０が密着する。また、各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２の両端部に位置する上層側の蛍光型ＬＥＤ１０の外部接続電極７、８が、導電パターン２３、２４に接続される。
ここで、金属板２１に密着している蛍光型ＬＥＤ１０を下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌと称し、金属板２１から離れている蛍光型ＬＥＤ１０を上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕと称する。このように、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、貫通孔２２ａの内部に配置されるので、貫通孔２２ａによって形成される円形のエリアが半導体発光装置１０の発光エリア２２ｂとなる。なお、各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する蛍光型ＬＥＤ１０の接続形態の詳細は後述する。
また、符号２５は絶縁基板２２の貫通孔２２ａの外周を囲む封止枠であり、この封止枠２５の内側に透明樹脂による封止材２６を充填することで、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を封止することができる。この封止材２６は、本実施例では、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２からの出射光を拡散させる拡散材（図示せず）が含有されている。
［蛍光型ＬＥＤの接続の説明：図３］
次に、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する蛍光型ＬＥＤ１０の接続の詳細を図３を用いて説明する。図３は、図２で示した半導体発光装置２０のＬＥＤ集合体３０の周辺部分を拡大した上面拡大図である。図３において、ＬＥＤ集合体３０は、１０１、１０２、１０３、１０４、・・・１１７の合計１７個の蛍光型ＬＥＤによって構成される。
ここで、図面上の最上部の蛍光型ＬＥＤ１０１は、電極面６ｃ（図１（ｂ）参照）を裏側にして配置されて、外部接続電極８（ｐ型半導体側：破線で示す）が導電パターン２３と電気的に接続される。また、同じ蛍光型ＬＥＤ１０１の外部接続電極７（ｎ型半導体側：破線で示す）は、隣接して電極面６ｃを表面にして配置された蛍光型ＬＥＤ１０２の外部接続電極８（図示せず）に半田等で直接接続される。また、同じ蛍光型ＬＥＤ１０２の外部接続電極７（図示せず）は、次に隣接する蛍光型ＬＥＤ１０３の外部接続電極８（破線で示す）に直接接続し、同じ蛍光型ＬＥＤ１０３の外部接続電極７（破線で示す）は、次に隣接する蛍光型ＬＥＤ１０４の外部接続電極８（図示せず）に接続する。
以下同様に蛍光型ＬＥＤ１０の外部接続電極７、８が、隣同士で順次直接接続され、ＬＥＤ集合体３０の図面上の最下部の蛍光型ＬＥＤ１１７は、電極面６ｃを裏側にして配置されて、外部接続電極７（ｎ型半導体側：破線で示す）が導電パターン２４と電気的に接続される。ここで、蛍光型ＬＥＤ１０の外部接続電極７、８が、隣同士で順次直接接続できるのは、蛍光型ＬＥＤ１０が隣同士で電極面６ｃが互いに向き合って配置されるからである。このように、蛍光型ＬＥＤ１０が順次接続されることによって、多数の蛍光型ＬＥＤ１０を直列接続したＬＥＤ集合体が形成される。
以上の接続によって、導電パターン２３の外部電極２３ａに所定のプラス電圧、導電パターン２４の外部電極２４ａに所定のマイナス電圧を供給することで、ＬＥＤ集合体３０の各蛍光型ＬＥＤ１０１〜１１７に順方向の駆動電流が流れて発光する。なお、他のＬＥＤ集合体３１、３２も同様に接続される。
また、各ＬＥＤ集合体を構成する蛍光型ＬＥＤ１０は、隣接する蛍光型ＬＥＤ１０に対して、直線方向、または直角方向で接続される。たとえば、図３において、蛍光型ＬＥＤ１０１と１０２は、直線方向に接続されているが、蛍光型ＬＥＤ１０２と１０３は、直角方向に接続されている。これは、蛍光型ＬＥＤ１０の外部接続電極７、８の形状が略正方形であり（図１参照）、その電極位置が直線方向でも直角方向でも、蛍光型ＬＥＤ１０の外形に対して変化しない位置に形成されているので、直線方向と直角方向の両方の接続に対応できるからである。
ここで、隣接する蛍光型ＬＥＤ１０をどの方向に接続するかは任意であるが、一つのＬＥＤ集合体を構成する蛍光型ＬＥＤ１０の個数や、発光エリアの形状に応じて決めることができる。ここで、本実施形態においては、前述したように発光エリア２２ｂが円形であり、ＬＥＤ集合体３０は、円形の発光エリア２２ｂの図面上左側のエリアを分担するために、発光パターンが発光エリア２２ｂの図面上左側に延びるように直線方向と直角方向が選択されている。
また、ＬＥＤ集合体３１は、円形の発光エリア２２ｂの中央付近を分担するために（図２参照）、発光パターンが帯状となるように直線方向と直角方向が選択されている。また、ＬＥＤ集合体３２は、円形の発光エリア２２ｂの図面上右側のエリアを分担するために（図２参照）、発光パターンが発光エリア２２ｂの図面上右側に延びるように直線方向と直角方向が選択されている。なお、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２は導電パターン２３、２４に対して並列接続であり、従って、各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する蛍光型ＬＥＤ１０の個数は同数であることが望ましい。
また、ＬＥＤ集合体の数は本実施形態では３個であるが、その数は任意であり、たとえば、発光エリア２２ｂが広ければＬＥＤ集合体の数を増やし、また、発光エリア２２ｂが狭ければＬＥＤ集合体の数を減らせばよい。
［蛍光型ＬＥＤの上層側と下層側の説明：図４］
次に、ＬＥＤ集合体を構成する上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕと下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌの機能について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、図２で示した第１の実施形態の半導体発光装置２０の斜視図である。なお、図４（ａ）は、ＬＥＤ集合体の配置がわかりやすいように、封止枠２５と封止材２６は省略している。図４（ａ）で明らかなように、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、絶縁基板２２に形成される貫通孔２２ａの内部に填め込まれるように配置されており、貫通孔２２ａの内側が発光エリア２２ｂとなる。
また、図４（ｂ）は、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２の拡大斜視図であり、各ＬＥＤ集合体を構成する蛍光型ＬＥＤ１０が、互いに向き合って接続されているために、隣同士で厚み方向に重なり上層と下層に配置されていることが理解できる。たとえば、ＬＥＤ集合体３０において、蛍光型ＬＥＤ１０１と１０３が上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕであり、蛍光型ＬＥＤ１０２が下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌである。
ここで、各ＬＥＤ集合体の両端部に位置する蛍光型ＬＥＤ１０は、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕとなるように構成されている。たとえば、ＬＥＤ集合体３０の両端部に位置する蛍光型ＬＥＤ１０１と１１７は、図示するように上層側に位置している。この構成によって、絶縁基板２２の表面に形成された導電パターン２３、２４の高さ方向の位置は、貫通孔２２ａの下面に位置する金属板２１の表面よりも絶縁基板２２の厚み分だけ高くなっているが、上層側である蛍光型ＬＥＤ１０１の外部接続端子８と蛍光型ＬＥＤ１１７の外部接続端子７は、絶縁基板２２の表面に形成された導電パターン２３、２４と接触し、半田等によって電気的に接続することができる。
また、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌ（たとえば、ＬＥＤ集合体３０の蛍光型ＬＥＤ１０２）は、前述したように、貫通孔２２ａによって露出している金属板２１に密着している。これは、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌの位置と、貫通孔２２ａの下面に位置する金属板２１の位置が一致しているからです。このように、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕは、導電パターン２３、２４に接続して駆動電圧を入力する機能を備えており、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌは金属板２１に密着して、ＬＥＤ集合体からの発熱を効率よく金属板２１に伝達する機能を備えている。
ここで、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕの外部接続端子７、８を絶縁基板２２の導電パターン２３、２４に接続し、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌを金属板２１に接触させるには、蛍光型ＬＥＤ１０の高さ方向の厚みと絶縁基板２２の厚みとを一致させることで実現できる。
また本実施形態では、各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９（図１参照）に含有する蛍光体９ａが２種類あり、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕの蛍光樹脂９には緑蛍光体が含有され、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌの蛍光樹脂９は赤蛍光体が含有されている。すなわち、ＬＥＤ集合体３０において、蛍光型ＬＥＤ１０１と１０３は上層側に配置されているので、その蛍光樹脂９には緑蛍光体が含有され、蛍光型ＬＥＤ１０２は下層側に配置されているので、その蛍光樹脂９には赤蛍光体が含有される。なお、蛍光体の図示は省略している。
ここで、下層側に配置される蛍光型ＬＥＤ１０Ｌに赤蛍光体を含有する理由は、赤蛍光体は緑色光を吸収する性質があるので、上層側に赤蛍光体の蛍光型ＬＥＤを配置すると、下層側からの緑色光を赤蛍光体が吸収し、緑色光の出射が低下してしまうからである。
このように、各ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９に含有する蛍光体９ａが緑蛍光体と赤蛍光体で構成され、蛍光型ＬＥＤ１０のＬＥＤ素子４が、前述したように青色ＬＥＤで構成されたとすると、半導体発光装置２０からは、青色ＬＥＤからの青色光Ｂと、青色光Ｂが上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕの緑蛍光体によって波長変換された緑色光Ｇと、さらに、青色光Ｂが下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌの赤蛍光体によって波長変換された赤色光Ｒが出射される。
［第１の実施形態の動作説明：図５］
次に、第１の実施形態の動作を図５を用いて説明する。図５は第１の実施形態の半導体発光装置２０から、どのような出射光が出射されるかを模式的に示しものである。図５において、半導体発光装置２０に搭載されるＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、前述したように、上層側のＬＥＤ１０Ｕと下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕとの蛍光体が異なる２種類の蛍光型ＬＥＤによって構成されている。そして、半導体発光装置２０に外部から所定の駆動電圧Ｖｄが供給されると、蛍光型ＬＥＤ１０Ｕと蛍光型ＬＥＤ１０Ｕのそれぞれの青色ＬＥＤが発光して青色光Ｂが出射される。
また、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕからは、青色光Ｂの一部が蛍光樹脂９に含有される緑蛍光体に吸収され、緑蛍光体が励起して波長変換された緑色光Ｇが出射される。また、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌからは、青色光Ｂの一部が蛍光樹脂９に含有される赤蛍光体に吸収され、赤蛍光体が励起して波長変換された赤色光Ｒが出射される。この結果、半導体発光装置２０からは、青色光Ｂと緑色光Ｇと赤色光Ｒが合成された出射光２７が出射されることになる。なお、出射光２７は、封止材２６に含有される拡散材（図示せず）によって拡散され、金属板２１によって図面上の上方向に反射されて、効率よく出射される。
［第１の実施形態の出射光の波長分布説明：図６］
次に、第１の実施形態の半導体発光装置２０から出射される出射光２７の波長分布の一例を図６を用いて説明する。図６において、横軸は出射光の波長であり、単位はｎｍである。縦軸は輝度であり、相対値として示している。半導体発光装置２０からの出射光２７は、前述したように、青色ＬＥＤから青色光Ｂと、緑蛍光体によって波長変換された緑色光Ｇと、赤蛍光体によって波長変換された赤色光Ｒとが合成された光となる。ここで、青色光Ｂの波長は４５０ｎｍ付近であって、青色ＬＥＤからの出射光であるので波長分布が狭く、緑色光Ｇと赤色光Ｒの波長は、それぞれ蛍光体による変換光であるので比較的広い分布特性を有している。
以上のように、第１の実施形態の半導体発光装置２０は、蛍光体９ａを含有する蛍光樹脂９で被覆された蛍光型ＬＥＤ１０を用いることで、含有する蛍光体を蛍光型ＬＥＤごとに個別に変えることが出来る。このため、ＬＥＤ素子を青色ＬＥＤとして、この青色ＬＥＤからの青色光Ｂによって励起する緑蛍光体と赤蛍光体を個別に含有した蛍光型ＬＥＤを用いることで、図６に示すように、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒがそれぞれバランスよく出射される半導体発光装置を実現することができる。
この結果、演色性に優れた真の白色光に近い出射光を出射する高性能の半導体発光装置を提供できる。また、緑蛍光体を有する蛍光型ＬＥＤ１０と赤蛍光体を有する蛍光型ＬＥＤ１０の個数の比率を変えることで、出射光の発光色を用途に応じて任意に調整することも可能である。
また、蛍光型ＬＥＤ１０の隣同士の電極を向き合わせて直接接続することで、上層下層の２層で構成されるので、実装密度を高くすることが可能であり、小型で高輝度高出力の半導体発光装置を実現できる。また、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌは、金属板２１に密着しているので、熱抵抗を極めて小さくできる。また、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕは、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌとワイヤー等を介さずに直接接続しているので、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕも同様に熱抵抗を小さくできる。これにより、広い温度範囲で使用できる放熱特性が優れた発光装置を提供できる。なお、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕと下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌに含有する蛍光体は、緑や赤に限定されるものではない。
［第１の実施形態の変形例の説明：図７］
次に、第１の実施形態の変形例を図７を用いて説明する。この変形例の基本的な構成は第１の実施形態と同様であり、蛍光型ＬＥＤ１０のＬＥＤ素子４の種類と蛍光樹脂９に含有する蛍光体９ａの種類のみが異なっているので、構成の説明は省略し、出射光の波長分布の違いを中心に説明する。
ここで、第１の実施形態の変形例は、蛍光型ＬＥＤ１０のＬＥＤ素子４が近紫外線ＬＥＤで構成され、蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９（図１参照）の蛍光体９ａは、青蛍光体、緑蛍光体、赤蛍光体がそれぞれ個別に含有する構成である。たとえば、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕに青蛍光体と緑蛍光体を個別に含有させ、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌに赤蛍光体を含有させる構成とする。
図７は、第１の実施形態の変形例の半導体発光装置からの出射光２８の波長分布の一例を示している。図７において、横軸は出射光の波長であり、縦軸は輝度であり、相対値として示している。この変形例の半導体発光装置からの出射光２８は、近紫外線ＬＥＤからの近紫外光ｎＵＶと、青蛍光体によって波長変換された青色光Ｂと、緑蛍光体によって波長変換された緑色光Ｇと、赤蛍光体によって波長変換された赤色光Ｒとが、合成された光となる。
ここで、変形例の波長分布は第１の実施形態の波長分布（図６参照）と異なり、青色光Ｂも蛍光体による変換光であるので比較的広い分布特性を有している。なお、４００ｎｍ付近の小さな波長のピークは、近紫外線ＬＥＤからの近紫外光ｎＵＶであり、この近紫外光ｎＵＶが励起光となって、それぞれの蛍光体を励起するのである。
以上のように、第１の実施形態の変形例は、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒのすべてを、蛍光体をそれぞれ個別に含有した蛍光型ＬＥＤによって得ているので、ＬＥＤ集合体を構成するそれぞれの蛍光型ＬＥＤ１０の個数の比率を選択することで、用途に応じて出射光の色合いを幅広く調整できる半導体発光装置を提供することができる。たとえば、赤蛍光体を含有する蛍光型ＬＥＤの数を増やせば、赤味を増した暖かみのある出射光を得ることができ、また、青蛍光体を含有する蛍光型ＬＥＤの数を増やせば、青味を増したクールな雰囲気の出射光を得ることができる。
［第２の実施形態の半導体発光装置の動作説明：図８］
次に、第２の実施形態の半導体発光装置を図８を用いて説明する。この第２の実施形態は、第１の実施形態と基本的な構成が同じであり、蛍光型ＬＥＤ１０の蛍光樹脂９に含有する蛍光体９ａの種類と、ＬＥＤ集合体を封止する封止材２６の含有物のみが異なるので、同一要素には同一番号を付して重複する構成の説明は省略し、第２の実施形態の動作と、出射光の波長分布を中心に説明する。ここで、第２の実施形態は、蛍光型ＬＥＤ１０のＬＥＤ素子４は第１の実施形態と同様に青色ＬＥＤであり、蛍光型ＬＥＤ１０の外周面を被覆する蛍光樹脂９に含有される蛍光体９ａ（図１参照）はＹＡＧ蛍光体であり、封止材２６には赤蛍光体が含有されている。
図８は第１の実施形態の側面図（図２（ｂ）参照）と同様な側面図であり、説明をわかりやすくするために縦の比率を大きくして示している。図８において、符号４０は第２の実施形態の半導体発光装置である。半導体発光装置４０の発光エリア２２ｂに露出する金属板２１の表面には、蛍光型ＬＥＤ１０で構成されるＬＥＤ集合体３０、３１、３２が密着して配置され、個々の蛍光型ＬＥＤ１０は、図示しないが青色ＬＥＤで構成され、被覆する蛍光樹脂９（ここでは図示せず）には、前述したように、ＹＡＧ蛍光体が含有されている。また、すべてのＬＥＤ集合体３０、３１、３２は、封止材２６によって封止され、この封止材２６には、前述したように、赤蛍光体４１（黒丸で示す）が略均一に含有されている。
ここで、半導体発光装置４０に外部から所定の駆動電圧Ｖｄが供給されると、ＬＥＤ集合体３０、３１、３２を構成する個々の蛍光型ＬＥＤ１０が動作して、青色ＬＥＤから青色光Ｂが出射される。この青色光Ｂの一部が、蛍光樹脂９に含有されるＹＡＧ蛍光体（図示せず）に吸収されると、ＹＡＧ蛍光体が励起して黄色光Ｙを出射する。また、青色光Ｂの一部が封止材２６に含有される赤蛍光体４１に吸収されると、赤蛍光体４１が励起して赤色光Ｒを出射する。以上の動作によって、半導体発光装置４０から青色光Ｂ、黄色光Ｙ、赤色光Ｒが合成された出射光４２が出射される。なお、実際の出射光４２は、青色光Ｂ、黄色光Ｙ、赤色光Ｒがほぼ均一に混ざり合った合成光となる。
［第２の実施形態の出射光の波長分布説明：図９］
次に、第２の実施形態の半導体発光装置４０から出射される出射光４２の波長分布の一例を図９を用いて説明する。図９において、横軸は出射光４２の波長であり、単位はｎｍである。縦軸は輝度であり、相対値として示している。半導体発光装置４０からの出射光４２は、前述したように、青色ＬＥＤからの青色光Ｂと、ＹＡＧ蛍光体によって波長変換された黄色光Ｙと、赤蛍光体４１によって波長変換された赤色光Ｒとが、合成された光となる。ここで、青色光Ｂの波長は第１の実施形態と同様に４５０ｎｍ付近であり、青色ＬＥＤからの出射光であるので波長分布が狭く、黄色光Ｙと赤色光Ｒの波長は、蛍光体による変換光であるので比較的広い分布特性を有している。
ここで、青色ＬＥＤからの青色光ＢとＹＡＧ蛍光体による黄色光Ｙが合成されると、擬似白色光となるが、この第２の実施形態では、封止材２６に赤蛍光体４１を含有させたことで、赤色光Ｒが加えられることになる。これにより、擬似白色光に赤味が加えられた温かみのある出射光を得ることができる。この第２の実施形態は、２種類の蛍光型ＬＥＤが必要である第１の実施形態と比較して、蛍光型ＬＥＤ１０の種類がＹＡＧ蛍光体を含有した１種類のみの構成なので、製造工程を簡素化できる特徴を備えている。
また、第１の実施形態と同様に、蛍光型ＬＥＤ１０は上層下層の２層で構成されるので、実装密度を高くすることが可能であり、小型で高輝度高出力の半導体発光装置を実現できる。また、下層側の蛍光型ＬＥＤは、金属板２１に密着しているので、熱抵抗を極めて小さくでき、上層側の蛍光型ＬＥＤも下層側の蛍光型ＬＥＤと直接接続しているので熱抵抗が小さく、これにより、放熱特性に優れた半導体発光装置を提供できる。
［第２の実施形態の変形例の説明：図１０］
次に、第２の実施形態の変形例を図１０を用いて説明する。この変形例の基本的な構成は第２の実施形態と同様であり、蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９に含有する蛍光体９ａの種類と、ＬＥＤ集合体を封止する封止材２６に含有する蛍光体の種類のみが異なるので、構成と動作の説明は省略し、出射光の波長分布の違いを中心に説明する。ここで、第２の実施形態の変形例は、蛍光型ＬＥＤ１０のＬＥＤ素子４が青色ＬＥＤで構成され、蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９に含有される蛍光体９ａ（図１参照）は、第１の実施形態と同様に緑蛍光体と赤蛍光体であり、また、封止材２６にはＹＡＧ蛍光体が含有される構成である。
なお、蛍光樹脂９の蛍光体９ａは、第１の実施形態と同様に、上層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｕの蛍光樹脂９には緑蛍光体が含有され、下層側の蛍光型ＬＥＤ１０Ｌの蛍光樹脂９には赤蛍光体が含有される。
図１０は、第２の実施形態の変形例の半導体発光装置からの出射光４３の波長分布の一例を示している。図１０において、横軸は出射光の波長であり、縦軸は輝度であり、相対値として示している。この変形例の半導体発光装置からの出射光４３は、青色ＬＥＤからの青色光Ｂと、緑蛍光体によって波長変換された緑色光Ｇと、赤蛍光体によって波長変換された赤色光Ｒと、封止材２６に含有されるＹＡＧ蛍光体からの黄色光Ｙが合成された光となる。
すなわち、第２の実施形態による出射光４２の波長分布（図９参照）と比較して、第２の実施形態の変形例の出射光４３は、緑蛍光体による緑色光Ｇが追加されることになり、演色性に優れた真の白色光に近い出射光が得られる高性能な半導体発光装置を提供することができる。
［第３の実施形態の構成説明：図１１］
次に、第３の実施形態の半導体発光装置を図１１を用いて説明する。図１１において、符号５０は第３の実施形態の半導体発光装置である。半導体発光装置５０は、電球型の筐体を備えており、ＬＥＤ集合体を封止する略球形の樹脂カバー５１、絶縁材で成る支持部５２、および、外部からの電力を入力するための接続部５３を有している。支持部５２の略中央には絶縁基板で成る電極部５４が配置され、この電極部５４には一対の電極５４ａ、５４ｂが形成されている。
この電極部５４の図面上の上部には、蛍光型ＬＥＤ１０が略コ形に直列接続されたＬＥＤ集合体５５が配置されている。ここで、電極部５４は支持部５２に対して垂直に取り付けられているので、ＬＥＤ集合体５５も電極部５４に沿って垂直方向に支持されている。
また、支持部５２の内部には、ＬＥＤ集合体５５を駆動する駆動部５６（破線で示す）を有している。ここで、ＬＥＤ集合体５５の両端部に位置する一対の蛍光型ＬＥＤ１０は、電極部５４の電極５４ａ、５４ｂに接続され、電極５４ａ、５４ｂは図示しない手段によって駆動部５６に接続され、駆動部５６は接続部５３の接続端子５３ａ、５３ｂに接続されている。この構成によって、接続部５３に外部から、たとえばＡＣ１００Ｖが供給されると、駆動部５６はＡＣ１００Ｖを所定の直流電圧に変換し、電極部５４を介してＬＥＤ集合体５５に直流の駆動電圧を供給してＬＥＤ集合体５５を点灯する。
なお、接続部５３の形状は、一般的な白熱電球のねじ込み式（Ｅ２６口金等）に等しい構造にすることによって、半導体発光装置５０は白熱電球に置き換えることができる。また、樹脂カバー５１は、透明でも半透明でもよく、樹脂に反射材を含有させてもよく、または、樹脂に所定の蛍光体を含有させてもよい。
［第３の実施形態のＬＥＤ集合体の構成説明：図１２］
次に、第３の実施形態の半導体発光装置５０に組み込まれる略コ形のＬＥＤ集合体５５の構成を図１２を用いて説明する。図１２において、ＬＥＤ集合体５５は、蛍光型ＬＥＤ１０の集合体であり、前述したように、略コ形に直列接続されている。ここで、各蛍光型ＬＥＤ１０は、図１で示した蛍光型ＬＥＤ１０と同一であり、第１および第２の実施形態と同様に、ＬＥＤ集合体５５を構成する蛍光型ＬＥＤ１０は、隣接する蛍光型ＬＥＤ１０と互いに向き合い、外部接続電極７、８（図１参照）が直接半田等によって電気的に接続される。そして、接続方向は図示するように、略コ形の直線部分は直線方向に接続され、略コ形の角部は直角方向に接続される。
そして、ＬＥＤ集合体５５の両端部に位置する一対の蛍光型ＬＥＤ１０ａ、１０ｂが電極部５４の電極５４ａ、５４ｂにそれぞれ接続され、電極５４ａ、５４ｂに所定の駆動電圧が供給されることで、ＬＥＤ集合体５５に駆動電流が流れて、個々の蛍光形ＬＥＤ１０が点灯する。ここで、第１の実施形態と同様に、蛍光形ＬＥＤ１０に青色ＬＥＤを用い、蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９（図１参照）に緑蛍光体と赤蛍光体を個別に含有させるならば、第１の実施形態と同様な波長分布（図６参照）の出射光を得ることができ、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒがそれぞれバランスよく出射される演色性に優れた半導体発光装置を実現することができる。
また、第２の実施形態と同様に、蛍光形ＬＥＤ１０に青色ＬＥＤを用い、蛍光型ＬＥＤ１０を被覆する蛍光樹脂９にＹＡＧ蛍光体を含有させ、樹脂カバー５１に赤蛍光体を含有させるならば、第２の実施形態と同様な波長分布（図９参照）の出射光を得ることができる。また、略コ形のＬＥＤ集合体５５は、前述したように、支持部５２に対して垂直に支持されているので、発光形状（光源形状）や発光の広がりがフィラメント型電球に近似したものとなり、本実施形態は、フィラメント型電球と同等の発光特性を有する半導体発光装置を提供することができる。
以上のように、第３の実施形態の半導体発光装置５０は、蛍光型ＬＥＤ１０を略コ形に直列接続した集合体として装置内部に組み込むので、フィラメント型電球の置き換え用として好適な省エネ型半導体発光装置を実現できる。また、蛍光型ＬＥＤ１０を用いることによって、様々な蛍光体を含有する蛍光樹脂９を任意に選択できるので、多様な発光色を備えた電球型発光装置を簡単に製造することができる。
尚、本発明の実施例で示した各図面等は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば、任意に変更してよい。
本発明の半導体発光装置は、優れた演色性と小型で高輝度高出力の発光装置を実現できるので、様々な照明用光源や車載用光源などに幅広く利用することが出来る。
１ 透明基板
２ ｎ型窒化物半導体層
３ ｐ型窒化物半導体層
４ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
６ 絶縁層
７、８ 外部接続電極
９ 蛍光樹脂
９ａ 蛍光体
１０、１０１、１０２、１０３、１０４、・・・１１７、１０ａ、１０ｂ 蛍光型半導体発光素子（蛍光型ＬＥＤ）
２０、４０、５０ 半導体発光装置
２１ 金属板
２２ 絶縁基板
２２ａ 貫通孔
２２ｂ 発光エリア
２３、２４ 導電パターン
２５ 封止枠
２６ 封止材
２７、２８、４２、４３ 出射光
３０、３１、３２、５５ 発光素子集合体（ＬＥＤ集合体）
４１ 赤蛍光体
５１ 樹脂カバー
５２ 支持部
５３ 接続部
５４ 電極部
５６ 駆動部
Ｒ 赤色光
Ｇ 緑色光
Ｂ 青色光
Ｙ 黄色光

Claims (10)

  1. ｎ型半導体層とｐ型半導体層にそれぞれ接続する外部接続電極を有し、
    少なくとも前記外部接続電極以外の外周面を蛍光体を含有する樹脂で被覆した蛍光型半導体発光素子を備え、
    該蛍光型半導体発光素子の前記外部接続電極同士を電気的接続手段を介して接続することで複数の前記蛍光型半導体発光素子を直列接続して発光素子集合体を構成し、
    前記発光素子集合体は、前記蛍光型半導体発光素子の隣同士の前記外部接続電極を向き合わせて接続することで、前記蛍光型半導体発光素子の隣同士が厚み方向で重なり上層下層となるように構成し、
    前記発光素子集合体は、前記蛍光型半導体発光素子の隣同士を直線方向または直角方向に接続して所定の発光エリアを分担するように構成することを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記外部接続電極は略正方形であり、前記蛍光型半導体発光素子の長手方向に対となって離れて配置され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. 前記発光素子集合体を二つ以上並列接続して構成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。
  4. 導電パターンが形成され貫通孔を有する絶縁基板と金属板が積層され、前記発光素子集合体が前記貫通孔内に配置されることで、下層側の前記蛍光型半導体発光素子が前記貫通孔によって露出した前記金属板に密着し、前記発光素子集合体の両端部に位置する上層側の前記蛍光型半導体発光素子の前記外部接続電極が前記導電パターンに電気的に接続されることで、前記発光素子集合体に駆動電圧が供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記上層の蛍光型半導体発光素子の前記蛍光体と前記下層の蛍光型半導体発光素子の前記蛍光体が異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  6. 前記上層の蛍光型半導体発光素子の前記蛍光体は緑蛍光体であり、前記下層の蛍光型半導体発光素子の前記蛍光体は赤蛍光体であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
  7. 前記発光素子集合体は拡散材を含有した樹脂によって封止されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  8. 前記発光素子集合体は蛍光体を含有した樹脂によって封止されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  9. 前記蛍光型半導体発光素子は略コ形に直列接続して前記発光素子集合体を構成し、該発光素子集合体は電極部に支持されて駆動電圧が供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
  10. 略コ形に形成された前記発光素子集合体は、略球形の樹脂で封止されることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光装置。
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