WO2007111118A1 - 発光装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device including a semiconductor light emitting element and fluorescent particles that emit light by light emitted from the semiconductor light emitting element.
  • a light-emitting device called a white LED intended to emit white light is configured by combining a blue LED chip and a phosphor that emits yellow light.
  • the blue LED chip is formed of a pn-bonded chemical semiconductor mainly composed of GaN (gallium nitride), and emits blue light having a wavelength of, for example, 560 nm or less when a forward current is applied.
  • the phosphor emits yellow light using light of a wavelength emitted from a blue LED chip as excitation light, and a YAG (yttrium, aluminum, garnet) phosphor is generally used.
  • a white LED emits white light by combining blue light and yellow light, which are in a complementary color relationship. This white LED not only reduces power consumption by about 30% compared to fluorescent lamps, but also has excellent environmental adaptability because it does not use mercury like fluorescent lamps. Therefore, white LEDs are being adopted for backlights of various display devices and simple lighting fixtures.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-41941
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-41942
  • the YAG phosphor absorbs light emitted by the blue LED chip force and emits yellow light when excited by the light.
  • the luminous efficiency due to the fluorescence action depends on the ambient temperature.
  • the luminous efficiency is greatly reduced, especially at ambient temperatures around 100 ° C or higher.
  • white LEDs are desired to have a high output of light emission, they tend to be blue and the power supplied to the ED chip tends to increase. Therefore, the blue LED chip
  • the temperature when light is emitted increases, and the luminous efficiency of the YAG phosphor tends to decrease.
  • the luminous efficiency of the YAG phosphor decreases, the balance between the amount of light emitted from the blue LED chip and the amount of light emitted from the YAG phosphor is lost, and the wavelength of the light emitted from the white LED moves toward the blue side. It becomes easy to shift. As a result, for example, when used as a backlight of a display device, the color balance to be expressed by the display device is lost.
  • the white LED emits light that feels bluish and cold, making it difficult to use as a lighting fixture, for example.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, suppresses a decrease in the luminous efficiency of the phosphor when the use environment temperature rises, and suppresses the color of light emitted from the semiconductor light-emitting element, and the fluorescence. It is an object of the present invention to provide a light-emitting device that can suppress a large change in emission color synthesized with the color of light emitted by physical strength.
  • the present invention relates to a light emitting device having a semiconductor light emitting element, an electrode for energizing the semiconductor light emitting element, and a fluorescent layer covering a light emitting side of the semiconductor light emitting element.
  • the fluorescent layer has fluorescent particles that emit light by light emitted from the semiconductor light emitting element, and a plurality of transparent fine particles attached to the outside of the fluorescent particles, and a gap between the fluorescent particles and the fine particles and fine particles An air layer is formed in the gap between them.
  • a plurality of fine particles adhere to the outside of the fluorescent particles, and a plurality of air layers (preferably a completely sealed air layer in a closed space) are formed around the fluorescent particles. ing.
  • the air layer functions as a heat insulating layer, even if the use environment temperature increases, the temperature rise of the fluorescent particles can be suppressed, and the decrease in the luminous efficiency of the fluorescent particles can be suppressed. For this reason, it is possible to suppress fluctuations in the emission color in which the color of the light emitted from the semiconductor light emitting element and the color of the light emitted from the fluorescent particles are combined.
  • the air layer has a spatial distance of lOOnm or less. Since the mean free path of nitrogen under atmospheric pressure is about lOOnm or slightly shorter than that, the spatial distance of the air layer By making the length shorter than the mean free path, the heat insulation effect of the air layer can be enhanced.
  • the spatial distance of the air layer is more preferably 80 nm or less.
  • the fluorescent particles having the fine particles attached to the outside are preferably aggregated.
  • the fluorescent layer is composed of a transparent synthetic resin, the fluorescent particles, and the fine particles.
  • the synthetic resin include epoxy resin, polyallylamine (PAA), and silicone resin.
  • the fluorescent particles, the fine particles, and the fine particles are bonded to each other with an intermolecular bonding force to which mechanical energy is applied.
  • the semiconductor light emitting element emits blue light
  • the fluorescent particles emit yellow light
  • the light-emitting device of the present invention is such that the balance of the luminescent color is not easily lost even when the use environment temperature is high. In addition, it is possible to suppress an increase in the color temperature of emitted light even when the use environment temperature is high.
  • FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a semiconductor light-emitting element 10 mounted on the light-emitting device 1.
  • the light emitting device 1 has a chip-like semiconductor light emitting element 10.
  • the semiconductor light emitting device 10 is formed by a thin film process. As shown in FIG. 2, this semiconductor light emitting device 10 has a GaN (gallium nitride) buffer layer (not shown) formed thinly on the surface of a sapphire substrate 11, and an n-type buffer layer is formed on the buffer layer.
  • a contact layer 12 is formed.
  • the n-type contact layer 12 is a GaN layer doped with Si (silicon), and its thickness is about 4 / im.
  • an n-type cladding layer 13 is formed in close contact.
  • the n-type cladding layer 13 is formed of AlGaN or formed of AlGaN and Si-doped n-type GaN. The thickness is about 1.0 / im.
  • An active layer 14 is formed in close contact with the surface of the n-type cladding layer 13.
  • This active layer 14 is formed of n-type InGaN (indium gallium 'nitrogen) or a laminated film of Si-doped n-type I NGaN and InGaN, and the total film thickness is about 400 angstroms. is there.
  • a p-type cladding layer 15 is formed in close contact with the surface of the active layer 14.
  • the p-type cladding layer 15 is made of AlGaN (aluminum / gallium / nitrogen), or is made of AlGaN and GaN, and has a thickness of about 0.5 ⁇ m. Further, a p-type contact layer is formed on the surface of the p-type cladding layer 15 (not shown).
  • a part of the n-type contact layer 12 is exposed to the side of the semiconductor light emitting element 10, and an n-electrode 16 is formed on the surface of the exposed part of the n- type contact layer 12 described above. .
  • a p-electrode 17 is formed on the surface of the p-type contact layer at a position avoiding the light emitting region.
  • the n electrode 16 and the p electrode 17 are formed of Ni / Ag (nickel and gold laminate).
  • the semiconductor light emitting device 10 when a positive potential is applied to the p electrode 17 and a forward current is applied to the pn junction semiconductor light emitting device 10, free electric charge that is a negative charge of the n-type cladding layer 13 is obtained.
  • the light and free holes in the p-type cladding layer 15 recombine in the active layer 14 and emit light with the energy at that time.
  • the wavelength of light emitted from the semiconductor light-emitting element 10 mainly composed of GaN is 530 nm or less, and power capable of emitting light in the green to blue band and further to the ultraviolet band. In this embodiment, the wavelength is 160 to Emits blue light of 470nm.
  • a transparent electrode such as ITO may be formed as a p-type electrode on the surface of the p-type cladding layer or the surface of the p-type contact layer covering the p-type cladding layer.
  • a heat radiating member 3 is provided on the surface of the package substrate 2.
  • the heat radiating member 3 is made of a material having high thermal conductivity such as aluminum or copper.
  • the chip-shaped semiconductor light emitting element 10 is placed on and adhered to the surface of the heat radiating member 3.
  • the heat radiating member 3 and the semiconductor light emitting element 10 are covered with a package material 4.
  • the package material 4 has high heat resistance and is an electrically insulating material, and is made of, for example, aluminum nitride (A1N).
  • a pair of lead terminals 5 and 6 are formed in the package material 4 from the surface of the package substrate 2.
  • One lead terminal 5 and the n electrode 16 of the semiconductor light emitting element 10 are connected by wire bonding 7, and the other lead terminal 6 and half
  • the p-electrode 17 of the conductor light emitting element 10 is connected by wire bonding 8.
  • the package material 4 also serves as a reflector, and its surface is a reflective surface 4a.
  • the reflecting surface 4a is formed so that the opening area gradually increases in the light emitting direction.
  • a fluorescent layer 20 that covers the semiconductor light emitting element 10 is provided on the reflective surface 4a.
  • the fluorescent layer 20 is configured by mixing fluorescent particles 21 in a transparent synthetic resin material such as epoxy resin, polyallylamine (PAA), or silicone resin.
  • a transparent synthetic resin material such as epoxy resin, polyallylamine (PAA), or silicone resin.
  • the fluorescent particles 21 constitute an aggregate in which a plurality of fluorescent particles 21 are aggregated, and a plurality of the aggregates are mixed in the synthetic resin material. Note that a part of the fluorescent particles 21 may be present alone in the synthetic resin material.
  • the fluorescent particles 21 absorb light emitted from the semiconductor light emitting element 10, and internal molecules are excited by the absorbed light to emit light having a wavelength different from that of the absorbed light.
  • the fluorescent particles 21 are YAG phosphors (yttrium, aluminum, garnet), and are excited by the light emitted from the semiconductor light emitting element 10 to emit yellow light.
  • the average particle diameter of the fluorescent particles 21 is about 5 to 20 ⁇ m.
  • Transparent fine particles 22 adhere to the outside of the individual fluorescent particles 21.
  • Transparent fine particles 22 consist of silica (SiO 2), titanium oxide (TiO 2), aluminum
  • the average particle size is 200 nm or less and 50 nm or more.
  • the fine particles 22 are adhered to the outer periphery of the fluorescent particles 21 in a plurality of layers.
  • the bonding between the fine particles 22 and the fluorescent particles 21 and the bonding between the fine particles 22 are mechanical bonding or mechanical / chemical bonding. In mechanical bonding, for example, a large number of fluorescent particles 21 and a large number of fine particles 22 are mixed and stirred while applying a frictional force to bond the fluorescent particles 21, the fine particles 22, and the fine particles 22 with intermolecular bonding forces. It is something to be made.
  • FIG. 5 schematically shows an enlarged view of the joint between the fluorescent particles 21 and the fine particles 22.
  • a plurality of air layers 23 are formed in the gaps between the fluorescent particles 21 and the fine particles 22 and in the gaps between the fine particles 22.
  • the plurality of air layers 23 function as heat insulating layers, and can suppress the temperature of the fluorescent particles 21 from rising when the external temperature rises.
  • the mean free path of nitrogen molecules under atmospheric pressure (1 atm) is about 100 ⁇ m or slightly shorter.
  • the ratio of the air layer 23 having the maximum spatial distance ⁇ max of lOOnm or less to the number of all air layers 23 is preferably 50% or more80. More preferably, it is at least / ⁇ . In addition, 50. / ⁇ or more or 80. More preferably, the maximum spatial distance ⁇ max of the air layer 23 occupying more than / ⁇ is 80 nm or less.
  • the synthetic resin material is cured and the fluorescent layer 20 is formed.
  • the proportion of the phosphor particles 21 and the fine particles 22 is preferably about 20 to 50 Vol% in volume ratio.
  • the semiconductor light emitting element 10 when a voltage is applied between the lead terminal 5 and the lead terminal 6 and a forward current is applied to the semiconductor light emitting element 10, blue or blue light is emitted from the semiconductor light emitting element 10. It is done. In this embodiment, blue light having a wavelength in the range of 460 to 470 nm is emitted.
  • the fluorescent particles 21 absorb the light and are excited by the light to emit yellow or yellow light. The blue or blue light that passes through the synthetic resin material layer and the yellow or yellow light emitted from the fluorescent particles 21 are combined to produce white or white light from the light emitting device 1. Is emitted.
  • the semiconductor light emitting device 10 When a relatively large current is applied to the semiconductor light emitting device 10 in order to emit high output light, the semiconductor light emitting device 10 generates heat, and this heat is applied to the fluorescent layer 20. In addition to this, when the use environment temperature becomes high, the fluorescent layer 20 becomes high temperature. It is made of YAG phosphor etc. As the temperature rises, the luminous efficiency of the fluorescent particles 21 decreases, and as a result, the light emitted from the light emitting device 1 is less than the amount of light emitted from the semiconductor light emitting element 10. As the amount decreases, the chromaticity and color temperature of the combined light tend to fluctuate. However, in the light emitting device 1, as shown in FIGS.
  • the rise can be suppressed.
  • the fluorescent particles 21 are aggregated in the fluorescent layer 20, an increase in the temperature of the fluorescent particles 21 can be suppressed. Therefore, a decrease in the light emission efficiency of the fluorescent particles 21 can be suppressed, and fluctuations in the chromaticity and color temperature of the light emitted from the light emitting device 1 can be suppressed.
  • the semiconductor light emitting element 10 that emits blue light in the range of 460 to 470 nm was used.
  • the fluorescent particles 21 used were YAG phosphors having an average particle diameter of 8 ⁇ m, and the fine particles were silica (SiO 2) having an average particle diameter of 0 ⁇ ⁇ . Hosokawa Micron Corporation
  • Fluorescent particles 21 and fine particles 22 were combined using a “fine particle combining device (model: NC—LAB—P)” manufactured by Komatsu.
  • FIG. 5 schematically shows a state in which five layers of fine particles 22 are attached to the outer periphery of the fluorescent particles 21.
  • (1) in Fig. 5 is the fine particles 22 in the first layer
  • (2), (3), (4) and (5) are the fine particles 22 in the second, third, fourth and fifth layers, respectively. .
  • Fluorescent particles 21 having fine particles 22 adhering to the outer periphery are mixed in an epoxy resin before curing and stirred by a ball mill, and then a stirring fluid is potted on the surface of the semiconductor light-emitting element 10 and epoxy resin is heat-treated.
  • the resin was cured to form the fluorescent layer 20.
  • the ratio of the fluorescent particles 21 and the fine particles 22 in the mixed liquid of the epoxy resin before curing and the fluorescent particles 21 and the fine particles 22 was 50 wt%.
  • most of the fluorescent particles 21 are aggregated with each other. I was able to confirm.
  • the thickness dimension from the light emitting surface of the semiconductor light emitting element 10 to the surface of the fluorescent layer 20 was 100 ⁇ .
  • a fluorescent layer was formed only with an epoxy resin and fluorescent particles without attaching the fine particles 22 to the fluorescent particles 21 as a comparative example.
  • the proportion of the fluorescent particles 21 in the mixed fluid of the epoxy resin and the fluorescent particles 21 was the same as in the above example.
  • the thickness of the fluorescent layer was also the same as in the example.
  • a forward current of imAj “5 mA”, “20 mA”, “50 mA”, and “100 mA” is applied to the light emitting devices of the example and the comparative example, and on the color coordinates of light emitted from the example and the comparative example at each current value. Changes were measured with a colorimeter.
  • FIG. 6 shows the evaluation results obtained by the evaluation method A
  • FIG. 7 shows the evaluation results obtained by the evaluation method B.
  • the black triangle indicates the measurement result of the chromaticity of the example
  • the small black circle indicates the evaluation result of the chromaticity of the comparative example.
  • FIG. 6 and FIG. 8 are chromaticity diagrams in which the horizontal axis is X and the vertical axis is Y.
  • Figure 8 shows the entire chromaticity diagram for reference.
  • the coordinate position of the color of each wavelength is shown.
  • the area surrounded by the broken line on the lower left side of the center is the white area.
  • the color temperature in white and white systems is indicated by radiation.
  • the color temperature is indicated by K (Kelvin). When the color temperature is high, it becomes white or white with a cold feeling, and when the color temperature is low, it becomes white or white with a warm feeling.
  • the color change of light when the current value is changed is wide in the comparative example, but is narrow in the example. Also in the example, the current It can be seen that the brightness changes slightly as the value increases. However, the coordinate direction in which the color changes in the embodiment is the direction in which the color temperature does not change, or the color temperature becomes slightly lower as the current is increased.
  • the semiconductor light emitting device when used by applying a large current, it is possible to suppress the change in the color temperature of the emitted color in the direction in which the color temperature increases, and light that feels cold is emitted. Can be suppressed.
  • the variation range of the example is lower than that of the comparative example with respect to the variation in the color coordinates of the emission color when the use environment temperature is changed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element used in the light emitting device of the embodiment
  • FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a state in which fluorescent particles and fine particles are aggregated
  • FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a state in which a plurality of fine particles are attached to the outer periphery of the fluorescent particle.
  • FIG. 5 is an enlarged explanatory view schematically showing a state where a fine particle force layer is adhered to the outer periphery of the fluorescent particle.
  • FIG. 8 Explanatory diagram relating to the chromaticity diagrams of FIG. 7 and FIG.

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Abstract

【課題】　半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍光体から発せられる光の色とが合成された色が得られる発光装置において、電流変化や温度変化による光の色の変動が少ない発光装置を提供する。 【解決手段】　ＧａＮを主体として青色の光を発する半導体発光素子に蛍光層を設け、蛍光層にＹＡＧ蛍光体である蛍光粒子２１を設ける。前記青色の光と蛍光粒子２１から発せられる黄色の光との合成で白色光が得られる。蛍光層を構成する蛍光粒子５の外周にはシリカなどの微粒子２２が付着し、粒子間に空気層２３が形成されている。この空気層２３が断熱層として機能し、周囲温度が高くなったときの蛍光粒子２１の温度上昇を抑制できる。よって、蛍光粒子２１の発光効率が変動しにくくなり、発光色が変化するのを抑制できる。

Description

明 細 書
発光装置
技術分野
[0001] 本発明は、半導体発光素子と、この半導体発光素子から発せられる光で発光する 蛍光粒子とを備えた発光装置に関する。
背景技術
[0002] 白色系の光を発することを目的とした白色 LEDと称される発光装置は、青色 LED チップと黄色の光を発する蛍光体とが組み合わされて構成されている。
[0003] 前記青色 LEDチップは、 GaN (窒化ガリウム）を主体とした pn結合の化学半導体で 形成されて、順方向電流が与えられることにより、例えば波長が 560nm以下の青色 系の光を発する。前記蛍光体は青色 LEDチップから発せられる波長の光を励起光と して、黄色の光を発するものであり、一般に YAG (イットリウム ·アルミニウム ·ガーネッ ト）蛍光体が使用される。
[0004] 白色 LEDは、補色の関係にある青色の光と黄色の光とが合成されることにより白色 系の光を発する。この白色 LEDは、蛍光灯に比べて消費電力を 30%ほど低減でき るのみならず、蛍光灯のように水銀を使用していないため、環境適応性にも優れてい る。よって、白色 LEDは、各種表示装置のバックライトや、簡易照明器具などに採用 されつつある。
特許文献 1 :特開 2005— 41941号公報
特許文献 2：特開 2005— 41942号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 前記 YAG蛍光体は、青色 LEDチップ力 発せられた光を吸収し、その光で励起さ れて黄色の光を発するものであるが、蛍光作用による発光効率は、使用環境温度に よって左右され、特に 100°C付近またはそれ以上の環境温度になると、発光効率が 大幅に低下する。一方、白色 LEDは発光量の高出力化が望まれているため、青色し EDチップに与えられる電力が大きくなる傾向にある。そのため、青色 LEDチップが 発光しているときの温度が高くなり、 YAG蛍光体の発光効率が低下しやすくなる。 Y AG蛍光体の発光効率が低下すると、青色 LEDチップから発せられる光の量と YAG 蛍光体で発光する光の量とのバランスが崩れ、白色 LEDから発せられる光の波長が 青色側に向かってシフトしやすくなる。その結果、例えば表示装置のバックライトとし て使用しているときに、表示装置で表現しょうとする色のバランスが崩れることになる。
[0006] さらに、 YAG発光体が高温になり、その発光効率が低下し、青色 LEDチップから 発せられる青色の成分が多くなると、 YAG蛍光体で発せられる色と合成された後の 光の色温度が高くなつて、白色 LEDから、青みがかった冷たく感じられる光が発せら れるようになり、例えば照明器具として使用しずらいものとなる。
[0007] 本発明は上記従来の課題を解決するものであり、使用環境温度が上昇したときの 蛍光体の発光効率の低下を抑制して、半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍 光体力 発せられる光の色とが合成された発光色の大きな変化を抑制できるようにし た発光装置を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導 体発光素子の発光側を覆う蛍光層と、を有する発光装置において、
前記蛍光層は、前記半導体発光素子から発せられる光で発光する蛍光粒子と、前 記蛍光粒子の外部に複数個付着した透明な微粒子とを有し、前記蛍光粒子と微粒 子との隙間および微粒子間の隙間に空気層が形成されていることを特徴とするもの である。
[0009] 本発明の発光装置は、蛍光粒子の外側に複数の微粒子が付着して、蛍光粒子の 周囲に複数の空気層（好ましくは完全に封止された閉空間の空気層）が形成されて いる。前記空気層が断熱層として機能することにより、使用環境温度が上昇しても、 蛍光粒子の温度上昇を抑制でき、蛍光粒子の発光効率の低下を抑制できる。そのた め、半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍光粒子から発せられる光の色とが 合成された発光色の変動を抑制できるようになる。
[0010] 好ましくは、前記空気層の空間距離が lOOnm以下である。大気圧下の窒素の平 均自由行程は lOOnm程度またはそれよりもわずかに短いため、空気層の空間距離 を前記平均自由行程よりも短くしておくことにより、前記空気層の断熱効果を高めるこ とができる。また、前記空気層の空間距離は 80nm以下であることがさらに好ましい。
[0011] また、前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光 粒子が凝集していることが好ましい。
[0012] 複数の蛍光粒子を凝集させておくことにより、蛍光粒子への温度伝達効率が低下 するようになり、使用環境温度が上昇したときに、個々の蛍光粒子の温度上昇をさら に抑制しやすくなる。
[0013] また、本発明は、例えば前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および 前記微粒子とで構成されている。前記合成樹脂は、エポキシ樹脂、ポリアリルアミン（ PAA)、シリコーン樹脂などである。
[0014] また、本発明は、前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的 エネルギーが加えられた分子間結合力で結合されているものである。
[0015] 例えば、本発明は、前記半導体発光素子は青色の光を発し、前記蛍光粒子は黄 色の光を発光するものである。
発明の効果
[0016] 本発明の発光装置は、使用環境温度が高くなつても、発光色のバランスが崩れにく レ、。また、使用環境温度が高くなつても、出射される光の色温度が高くなるのを抑制 することが可能である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 図 1は本発明の実施の形態の発光装置 1を示す拡大断面図、図 2は、前記発光装 置 1に搭載されてレ、る半導体発光素子 10の拡大断面図である。
[0018] 発光装置 1には、チップ状の半導体発光素子 10を有している。半導体発光素子 10 は、薄膜プロセスで形成されている。図 2に示すように、この半導体発光素子 10は、 サファイア基板 11の表面に薄く形成された GaN (窒化ガリウム）のバッファ一層（図示 せず）を有し、このバッファ一層の上に、 n型コンタクト層 12が形成されている。 n型コ ンタクト層 12は、 Si (珪素）がドープされた GaN層であり、その厚さは 4 /i m程度であ る。 n型コンタクト層 12の上には、 n型クラッド層 13が密着して形成されている。 n型ク ラッド層 13は、 AlGaNで形成され、または、 AlGaNと Siをドープした n型 GaNとで形 成されており、その厚さは 1. 0 /i m程度である。
[0019] n型クラッド層 13の表面には活性層 14が密着して形成されている。この活性層 14 は、 n型 InGaN (インジウム ·ガリウム '窒素）で形成され、または、 Siをドープした n型 I NGaNと InGaNとの積層膜で形成され、全体の膜厚は、 400オングストローム程度 である。活性層 14の表面には p型クラッド層 15が密着して形成されている。 p型クラッ ド層 15は、 AlGaN (アルミニウム ·ガリウム ·窒素）で形成され、または AlGaNと GaN とで形成されており、その厚みは 0. 5 x m程度である。さらに、 p型クラッド層 15の表 面に、 p型コンタクト層が形成されている（図示省略)。
[0020] 半導体発光素子 10の側方には、 n型コンタクト層 12の一部が露出しており、この前 記 n型コンタクト層 12の露出部の表面に、 n電極 16が形成されている。また、前記 p 型コンタクト層の表面には、発光領域を避けた位置に、 p電極 17が形成されている。 n電極 16および p電極 17は、 Ni/Ag (ニッケルと金の積層体）により形成される。
[0021] この半導体発光素子 10は、 p電極 17に正の電位が与えられ、 pn接合の半導体発 光素子 10に順電流が与えられると、 n型クラッド層 13のマイナスの電荷である自由電 子と、 p型クラッド層 15の自由正孔とが活性層 14において再結合し、そのときのエネ ルギ一で発光する。 GaNを主体とする半導体発光素子 10から発せられる光の波長 は 530nm以下であり、緑色から青色の帯域さらには紫外線の帯域までの光を発する ことができる力 この実施の形態では、波長が 160〜470nmの青色の光を発する。
[0022] なお、半導体発光素子として、 p型クラッド層の表面、または p型クラッド層を覆う p型 コンタクト層の表面に、 p型電極として ITOなどの透明電極が形成されていてもよい。
[0023] 図 1に示す発光装置 1は、パッケージ基板 2の表面に放熱部材 3が設けられている 。この放熱部材 3は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている 。チップ状の前記半導体発光素子 10は、この放熱部材 3の表面に設置されて接着さ れている。放熱部材 3および半導体発光素子 10は、パッケージ材 4で覆われている。 このパッケージ材 4は、耐熱性が高く且つ電気的に絶縁材料であり、例えば窒化アル ミニゥム (A1N)などで形成されてレ、る。パッケージ基板 2の表面からパッケージ材 4の 内部には一対のリード端子 5と 6が形成されている。一方のリード端子 5と、半導体発 光素子 10の n電極 16とがワイヤボンディング 7で接続され、他方のリード端子 6と、半 導体発光素子 10の p電極 17とがワイヤボンディング 8で接続されている。
[0024] パッケージ材 4はリフレクタを兼用しており、その表面は反射面 4aとされている。この 反射面 4aは、発光方向に向かってその開口面積が徐々に広くなるように形成されて いる。
[0025] そして、前記反射面 4a上に、半導体発光素子 10を覆う蛍光層 20が設けられている
[0026] 蛍光層 20は、エポキシ樹脂やポリアリルアミン（PAA)またはシリコーン樹脂などの 透明な合成樹脂材料に蛍光粒子 21が混入されて構成されている。図 3に示すように 、蛍光粒子 21は複数個が凝集した凝集体を構成しており、この凝集体が、前記合成 樹脂材料内に複数混入されている。なお、前記合成樹脂材料内には、一部の蛍光 粒子 21が単独で存在しているものであってもよい。
[0027] 蛍光粒子 21は、半導体発光素子 10から発せられる光を吸収し、吸収した光で内部 分子が励起されて、吸収した光と異なる波長の光を発する。この実施の形態では、蛍 光粒子 21が、 YAG蛍光体 (イットリウム ·アルミニウム ·ガーネット）であり、半導体発光 素子 10から発せられた光に励起されて、黄色の光を発する。蛍光粒子 21の平均粒 径は、 5〜20 μ m程度である。
[0028] 図 3と図 4に示すように、個々の蛍光粒子 21の外部には、複数の透明な微粒子 22 が付着している。透明な微粒子 22は、シリカ（SiO )、酸化チタン (TiO )、アルミサフ
2 2
アイァなどであり、平均粒径は、 200nm以下で 50nm以上である。微粒子 22は、蛍 光粒子 21の外周に複数層に重ねられて付着している。微粒子 22と蛍光粒子 21との 接合、および微粒子 22どうしの接合は、メカニカルボンディング、あるいはメカニカル •ケミカルボンディングである。メカニカルボンディングは、例えば、多数の蛍光粒子 2 1と多数の微粒子 22とを混合し、摩擦力を与えながら攪拌することで、蛍光粒子 21と 微粒子 22、および微粒子 22どうしを分子間結合力で結合させるものである。メカ二力 ノぃケミカルボンディングは、多数の蛍光粒子 21と多数の微粒子 22に摩擦力を与え ることに加え、プラズマエネルギーを与えて、蛍光粒子 21と微粒子 22、および微粒 子 22どうしを分子間結合力で結合させるものである。
[0029] 図 5は、蛍光粒子 21と微粒子 22との結合部を拡大して模式的に示している。 蛍光粒子 21の外部に多数の微粒子 22が付着している結果、蛍光粒子 21と微粒 子 22との隙間、および微粒子 22どうしの隙間内に、複数の空気層 23が形成されて いる。この複数の空気層 23は断熱層として機能し、外部温度が上昇したときに、蛍光 粒子 21の温度が上昇するのを抑制できる。空気層 23が断熱層として機能するため には、ほとんどの空気層 23が周囲を閉鎖された閉鎖空間内に形成されていることが 好ましレ、。ここで、大気圧下（1気圧下）における窒素分子の平均自由行程は、 100η mあるいはそれよりもやや短い程度である。したがって、 1つの空気層 23の最大空間 距離 δ maxが、 lOOnm以下であると、空気層 23内での熱の伝播を低下させることが でき、空気層 23の断熱効果を高くできる。また、全ての空気層 23の数に対する、前 記最大空間距離 δ maxが lOOnm以下の空気層 23の占める割合が 50%以上であ ることが好ましく 80。/ο以上であることがさらに好ましい。さらに、 50。/ο以上または 80。/ο 以上を占める空気層 23の最大空間距離 δ maxが 80nm以下であることがさらに好ま しい。
[0030] 透明な合成樹脂材料内に図 3に示す蛍光粒子 21および微粒子 22が混入された混 合流体が、図 1に示す半導体発光素子 10および反射面 4a上に供給された後に、加 熱処理よつて合成樹脂材料が硬化されて、蛍光層 20が形成される。硬化後の蛍光 層 20では、前記蛍光粒子 21および微粒子 22が占める割合が体積比で 20〜50Vol %程度が好ましい。
[0031] この発光装置 1では、リード端子 5とリード端子 6間に電圧を印加し、半導体発光素 子 10に順電流が与えられると、半導体発光素子 10から青色または青色系の光が発 せられる。この実施の形態では、波長が 460〜470nmの範囲の青色の光が発せら れる。また蛍光粒子 21は、前記光を吸収し、この光に励起されて黄色または黄色系 の光を発する。合成樹脂材料の層を透過する青色または青色系の光と、蛍光粒子 2 1力、ら発せられる黄色または黄色系の光が合成されることにより、発光装置 1からは白 色または白色系の光が発せられる。
[0032] 高出力の光を発するために、半導体発光素子 10に比較的大きな電流を与えると、 半導体発光素子 10が発熱し、この熱が蛍光層 20に与えられる。これに加えて、使用 環境温度が高くなると、蛍光層 20が高温となる。 YAG蛍光体などで形成されている 蛍光粒子 21は、温度が上昇すると、発光効率が低下し、その結果、発光装置 1から 発せられる光は、半導体発光素子 10から発せられる光の量に対して、蛍光粒子 21 から発せられる光の量が低下して、両光が合成された光の色度および色温度が変動 する傾向にある。しかし、発光装置 1では、図ないし図 5に示すように、蛍光粒子 21の 外周に、多数の空気層 23が存在し、この空気層 23が断熱層として機能するため、蛍 光粒子 21の温度上昇を抑制できる。さらに蛍光層 20内で蛍光粒子 21が凝集してい ることにより、蛍光粒子 21の温度の上昇を抑制できる。そのため、蛍光粒子 21の発 光効率の低下を抑制でき、発光装置 1から発せられる光の色度および色温度の変動 を抑制できるようになる。
実施例
[0033] (実施例）
実施例の発光装置 1では、半導体発光素子 10として、 460〜470nmの範囲の青 色の光を発するものを使用した。蛍光粒子 21は平均粒径 8 μ mの YAG蛍光体を使 用し、微粒子は平均粒径 0· Ι μ ΐηのシリカ（SiO )を用いた。ホソカワミクロン株式会
2
社製の「微粒子複合化装置 (形式: NC— LAB— P)」を使用して、蛍光粒子 21と微 粒子 22とを複合化した。
[0034] 複合された蛍光粒子 21と微粒子 22との結合状態を走查型電子顕微鏡（SEM)で 観察した結果、蛍光粒子 21の外周に微粒子 22が平均して 5層付着していることを確 認でき、またそれぞれの空気層 23の最大空間距離 δ maxが 50〜60nmの範囲であ ることを確認できた。図 5は、蛍光粒子 21の外周に 5層の微粒子 22が付着している 状態を模式的に示している。図 5の（1)が 1層目の微粒子 22であり、 (2) (3) (4) (5) がそれぞれ 2層目、 3層目、 4層目および 5層目の微粒子 22である。
[0035] 外周に微粒子 22が付着している蛍光粒子 21を、硬化前のエポキシ樹脂内に混入 し、ボールミルで攪拌した後に、攪拌流体を半導体発光素子 10の表面にポッティン グし、熱処理によりエポキシ樹脂を硬化して、蛍光層 20を形成した。硬化前のェポキ シ樹脂と蛍光粒子 21および微粒子 22との混合液体内での、前記蛍光粒子 21と微 粒子 22の占める割合を、 50wt%とした。また、硬化後の蛍光層 20を切断してその断 面を走査型顕微鏡で確認した結果、ほとんどの蛍光粒子 21が互いに凝集している のを確認できた。また、半導体発光素子 10の発光面から蛍光層 20の表面までの厚 さ寸法は、 100 μ ΐηであった。
[0036] (比較例）
前記実施例と同じ発光装置であるが、蛍光粒子 21に微粒子 22を付着させることな ぐエポキシ樹脂と蛍光粒子のみで蛍光層を形成したものを比較例とした。エポキシ 樹脂と蛍光粒子 21との混合流体における蛍光粒子 21の占める割合を前記実施例と 同じとした。また、蛍光層の厚みも実施例と同じとした。
[0037] (評価）
(a)評価法 A
実施例と比較例の発光装置に、 imAj「5mA」「20mA」「50mA」「100mA」の順 電流を与え、それぞれの電流値において実施例と比較例とから発せられる光の色座 標上の変化を色度計で測定した。
(b)評価法 B
実施例と比較例の発光装置に、「20mA」の順電流を与え、周囲の温度を「― 40°C 」「一 30°C」「0°C」「25°C」「50°C」「85°C」に安定させたときの、実施例と比較例とから 発せられる光の色座標上の変化を色度計で測定した。
[0038] (評価結果）
図 6は、前記評価法 Aでの評価結果を示しており、図 7は、前記評価法 Bでの評価 結果を示している。図 6と図 7では、共に、黒塗りの三角印が実施例の色度の測定結 果を示し、黒塗りの小丸が比較例の色度の評価結果を示している。
[0039] 図 6と図 8は、横軸を Xとし縦軸を Yとした色度図である。図 8は参考のために色度図 の全体を示している。図 8の色度図内には、各波長の色の座標位置を示している。中 央の左下側において破線で囲んでいる領域が白色領域である。また、色座表内では 、白色および白色系での色温度を放射線で示している。色温度は K (ケルビン）で示 しており、色温度が高いと冷たい感じの白色または白色系となり、色温度が低いほど 暖かい感じの白色または白色系となる。
[0040] 図 6に示す評価法 Aでは、電流値を変えたときの光の色変化が、比較例で広い範 囲であるのに対し、実施例では狭い範囲であることが解る。実施例においても、電流 を高くしていくと、光度が少し変化するのが解る。しかし、実施例での色が変化する座 標方向は、色温度が変化しない方向、または電流を高くしていくにしたがって、色温 度がわずかに低くなる方向である。
[0041] よって、実施例では、半導体発光素子に大電流を与えて使用したときに、発光色の 色温度が高くなる方向へ変化するのを抑制でき、冷たい感じの光が発せられる状態 となるのを抑制できる。
[0042] 図 7に示す評価法 Bでは、使用環境温度を変化させたときの、発光色の色座標上 での変動に関して、実施例は比較例に比べて変動幅が低いことが解る。
図面の簡単な説明
[0043] [図 1]本発明の実施の形態の発光装置を示す断面図、
[図 2]前記実施の形態の発光装置に使用されている半導体発光素子を示す拡大断 面図、
[図 3]蛍光粒子と微粒子が凝集している状態を模式的に示す説明図、
[図 4]蛍光粒子の外周に複数の微粒子が付着した状態を模式的に示す説明図、
[図 5]蛍光粒子の外周に微粒子力 ¾層付着している状態を模式的に示す拡大説明図
[図 6]評価法 Aによる評価結果を示す色度図、
[図 7]評価法 Bによる評価結果を示す色度図、
[図 8]前記図 7と図 8の色度図に関する説明図
符号の説明
[0044] 1 発光装置
2 パッケージ基板
3 放熱部材
4 パッケージ材
5, 6 リード端子
7, 8 ワイヤボンディング
10 半導体発光素子
11 サファイア基板 n型コンタクト層 n型クラッド層 活性層 p型クラッド層 蛍光層 蛍光粒子 微粒子 空気層

Claims

請求の範囲
[1] 半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素 子の発光側を覆う蛍光層と、を有する発光装置において、
前記蛍光層は、前記半導体発光素子から発せられる光で発光する蛍光粒子と、前 記蛍光粒子の外部に複数個付着した透明な微粒子とを有し、前記蛍光粒子と微粒 子との隙間および微粒子間の隙間に空気層が形成されていることを特徴とする発光 装置。
[2] 前記空気層の空間距離が lOOnm以下である請求項 1記載の発光装置。
[3] 前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光粒子が 凝集している請求項 1記載の発光装置。
[4] 前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および前記微粒子とで構成され ている請求項 1記載の発光装置。
[5] 前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的エネルギーが加 えられた分子間結合力で結合されている請求項 1記載の発光装置。
[6] 前記半導体発光素子は青色の光を発し、前記蛍光粒子は黄色の光を発光する請 求項 1記載の発光装置。
[7] 前記空気層の空間距離が lOOnm以下であり、
前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光粒子が 凝集しており、
前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および前記微粒子とで構成され ており、
前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的エネルギーが加 えられた分子間結合力で結合されている請求項 1記載の発光装置。
[8] 前記空気層の空間距離が lOOnm以下であり、
前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光粒子が 凝集しており、
前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および前記微粒子とで構成され ており、 前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的エネルギーが加 えられた分子間結合力で結合されており、
前記半導体発光素子は青色の光を発し、前記蛍光粒子は黄色の光を発光する請 求項 1記載の発光装置。
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