(57)【要約】【課題】発光素子とその光を波長変換する光波長変換部材とを適切に固着させる。【解決手段】発光モジュール６０において、光波長変換部材５０は板状に形成され、半導体発光素子６２が発する光を波長変換して出射する。半導体発光素子６２は、半導体層６４と、半導体層６４の結晶成長に用いられた結晶成長用基板６６とを有する。結晶成長用基板６６と光波長変換部材５０とが表面活性化接合またはプラズマ接合によって互いに直接接合され、光波長変換部材５０と半導体発光素子６２とが互いに固着される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が発する光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、
を備え、
前記半導体発光素子と前記光波長変換部材は、直接接合を用いて互いに固着されることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記半導体発光素子は、半導体層を有し、前記半導体層と前記光波長変換部材とが直接接合によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記半導体発光素子は、半導体層と、前記半導体層の結晶成長に用いられた結晶成長用基板とを有し、前記結晶成長用基板と前記光波長変換部材とが直接接合によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記半導体発光素子に設けられた接合用バッファ層をさらに備え、
前記接合用バッファ層と前記光波長変換部材とが直接接合によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項５】
前記光波長変換部材に設けられた接合用バッファ層をさらに備え、
前記接合用バッファ層と前記半導体発光素子とが直接接合によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記直接接合は、表面活性化接合であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光モジュール。
【請求項７】
前記直接接合は、プラズマ接合であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光モジュール。
【請求項８】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、を直接接合を用いて互いに固着させる工程を備えることを特徴とする発光モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュールおよびその製造方法に関し、特に半導体発光素子とその発する光を波長変換する光波長変換部材とを互いに固着させた発光モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、蛍光体などを用いてＬＥＤ（Light Emitting Diode）が発する光を波長変換することにより、ＬＥＤが発する光の色とは異なる色の光を出射する発光モジュールを得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対し、また、例えば変換効率を増大させるべく、波長変換材料を含むセラミック層を発光層によって放出された光の経路内に配置する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５９８６４号公報
【特許文献２】特開２００６−５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献２に記載されるようにセラミック層を用いてＬＥＤが発する光を効率よく波長変換するためには、セラミック層をＬＥＤの発光面に取り付ける必要がある。これに対し、例えばシリコン系などの接着剤を用いて両者を固着させる方法が考えられる。一方、ＬＥＤの更なる出力増大や短波長化が近年強く求められており、両者の固着もこれらに耐え得ることが要求されている。しかしながら、ＬＥＤの出力増大や短波長化が進むと接着剤は劣化し易くなるため、充分な信頼性を得ることは容易ではない。また、このような接着剤は一般的に屈折率が小さく、さらに接着面にボイドが発生する可能性もある。このため両者の固着に接着剤を用いると、ＬＥＤが発する光の取り出し効率が低下する虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、発光素子とその光を波長変換する光波長変換部材とを適切に固着させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子が発する光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、を備える。半導体発光素子と光波長変換部材は、直接接合を用いて互いに固着される。
【０００７】
この態様によれば、例えば半導体発光素子の出力増大や短波長化に対しても、固着部分の劣化を回避することができる。このため、両者の固着に対する信頼性の低下を抑制することができる。
【０００８】
半導体発光素子は、半導体層を有し、半導体層と光波長変換部材とが直接接合によって接合されてもよい。半導体発光素子は、半導体層と、半導体層の結晶成長に用いられた結晶成長用基板とを有し、結晶成長用基板と光波長変換部材とが直接接合によって接合されてもよい。
【０００９】
発明者による鋭意なる研究開発の結果、半導体層と光波長変換部材、または結晶成長用基板と光波長変換部材とを直接接合により互いに接合可能であることが確認された。したがってこれらの態様によれば、半導体発光素子と光波長変換部材とを直接接合を用いて適切に固着させることができる。
【００１０】
半導体発光素子に設けられた接合用バッファ層をさらに備えてもよい。接合用バッファ層と光波長変換部材とが直接接合によって接合されてもよい。または、光波長変換部材に設けられた接合用バッファ層をさらに備えてもよい。接合用バッファ層と半導体発光素子とが直接接合によって接合されてもよい。
【００１１】
発明者による鋭意なる研究開発の結果、接合用バッファ層と光波長変換部材、または接合用バッファ層と半導体発光素子とを直接接合により互いに接合可能であることが確認された。したがってこれらの態様によっても、半導体発光素子と光波長変換部材とを直接接合を用いて適切に固着させることができる。
【００１２】
直接接合は、表面活性化接合であってもよい。または、直接接合は、プラズマ接合であってもよい。
【００１３】
発明者による鋭意なる研究開発の結果、表面活性化接合またはプラズマ接合を用いて半導体発光素子と光波長変換部材とを直接接合できることが確認された。したがってこれらの態様によれば、半導体発光素子と光波長変換部材とを適切に固着させることができる。
【００１４】
本発明の別の態様は、発光モジュールの製造方法である。この方法は、半導体発光素子と、半導体発光素子が発する光を波長変換して出射する板状の光波長変換部材と、を直接接合を用いて互いに固着させる工程を備える。
【００１５】
この態様によれば、例えば半導体発光素子の出力増大や短波長化に対しても、固着部分の劣化を回避することができる。このため、両者の固着に対する信頼性の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発光素子とその光を波長変換する光波長変換部材とを適切に固着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る発光モジュール基板の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る発光モジュールの側面図である。
【図４】第２の実施形態に係る発光モジュールの側面図である。
【図５】第３の実施形態に係る発光モジュールの側面図である。
【図６】光波長変換部材と半導体発光素子とが互いに固着される前の第３の実施形態に係る発光モジュールを示す図である。
【図７】光波長変換部材と半導体発光素子とが互いに固着される前の第４の実施形態に係る発光モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る車両用前照灯１０の構成を示す断面図である。車両用前照灯１０は、灯具ボディ１２、前面カバー１４、および灯具ユニット１６を有する。以下、図１において左側を灯具前方、右側を灯具後方として説明する。また、灯具前方にみて右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図１は、灯具ユニット１６の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯１０を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯１０が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯１０が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図１は、左右いずれかの車両用前照灯１０の構成を示している。
【００２０】
灯具ボディ１２は開口を有する箱状に形成される。前面カバー１４は透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成される。前面カバー１４は、縁部が灯具ボディ１２の開口部に取り付けられる。こうして、灯具ボディ１２と前面カバー１４とによって覆われる領域に灯室が形成される。
【００２１】
灯室内には、灯具ユニット１６が配置される。灯具ユニット１６は、エイミングスクリュー１８によって灯具ボディ１２に固定される。下方のエイミングスクリュー１８はレベリングアクチュエータ２０が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ２０を作動させることで、灯具ユニット１６の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。
【００２２】
灯具ユニット１６は、投影レンズ３０、支持部材３２、リフレクタ３４、ブラケット３６、発光モジュール基板３８、および放熱フィン４２を有する。投影レンズ３０は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材３２は、投影レンズ３０を支持する。発光モジュール基板３８には発光モジュール４０が設けられている。リフレクタ３４は、発光モジュール４０からの光を反射して、投影レンズ３０の後方焦点面に光源像を形成する。このようにリフレクタ３４および投影レンズ３０は、発光モジュール４０が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン４２は、ブラケット３６の後方側の面に取り付けられ、主に発光モジュール４０が発した熱を放熱する。
【００２３】
支持部材３２には、シェード３２ａが形成されている。車両用前照灯１０はロービーム用光源として用いられ、シェード３２ａは、発光モジュール４０から発せられリフレクタ３４にて反射した光の一部を遮ることで、車両前方においてロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成する。ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。
【００２４】
図２は、第１の実施形態に係る発光モジュール基板３８の構成を示す図である。発光モジュール基板３８は、発光モジュール４０、基板４４、サブマウント４５、および透明カバー４６を有する。発光モジュール４０はサブマウント４５に取り付けられており、このサブマウント４５が基板４４に取り付けられている。発光モジュール４０は無色の透明カバー４６によって覆われており、透明カバー４６の内部は中空となっている。発光モジュール４０は、半導体発光素子４８および光波長変換部材５０を有する。
【００２５】
図３は、第１の実施形態に係る発光モジュール４０の側面図である。半導体発光素子４８は、ＬＥＤ素子によって構成される。第１の実施形態では、半導体発光素子４８として、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤが採用されている。具体的には、半導体発光素子４８は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１・ｘ・ｙ）Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１）半導体層を結晶成長させることにより形成される窒化物系ＬＥＤ素子によって構成されている。なお、半導体発光素子４８を形成するための材料はこれら窒化物系に限られないことは勿論であり、例えばＺｎＯなど他の材料が採用されてもよい。
【００２６】
半導体発光素子４８は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう設けられている。なお、半導体発光素子４８の構成や発する光の波長が上述したものに限られないことは勿論であり、半導体発光素子４８は青以外の波長の光を主として発するものが採用されてもよい。
【００２７】
半導体発光素子４８は、いわゆるフリップチップタイプのものが採用される。なお、半導体発光素子４８に他のタイプのものが採用されてもよいことは勿論であり、例えば半導体発光素子４８にいわゆる縦型チップタイプのものやいわゆるフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。
【００２８】
光波長変換部材５０は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。なお、光波長変換部材５０は、焼結セラミックに限定されず、例えばアモルファス、多結晶、単結晶のものを含み、結晶構造などによって限定されない。
【００２９】
また、光波長変換部材５０には、透明なものが採用されている。第１の実施形態において「透明」とは、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換部材５０において光の波長を適切に変換できると共に、各々を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換部材５０をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子４８が発する光をより効率的に変換することができる。
【００３０】
また、光波長変換部材５０は有機系バインダーレスの無機物で構成され、有機系バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール４０に１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール４０が発する光の輝度、光度、および光束を高めることが可能となっている。なお、光波長変換部材５０にバインダーが含まれていてもよい。
【００３１】
光波長変換部材５０は、半導体発光素子４８が主として発する青色光の波長を変換して黄色光を出射する。このため、発光モジュール４０からは、光波長変換部材５０をそのまま透過した青色光と、光波長変換部材５０によって波長変換され出射された黄色光との合成光である白色光が出射する。
【００３２】
半導体発光素子４８は、例えばサファイアなどの結晶成長用基板上に半導体層を結晶成長させることにより形成される。第１の実施形態では、こうして半導体層を結晶成長させ、光波長変換部材５０と接合した後、結晶成長用基板を除去したものが用いられている。
【００３３】
半導体発光素子４８の発光面４８ａと光波長変換部材５０の入射面５０ａとは、直接接合を用いて互いに固着される。発明者によって行われた実験の結果、表面活性化接合によって両者を直接接合可能であることが確認された。なお、プラズマ接合によって両者を直接接合可能であることも確認されている。このように例えばシリコン系や有機系の接着剤を用いない直接接合を用いて半導体発光素子４８と光波長変換部材５０とを互いに固着させることにより、固着部分の劣化を回避することができ、また、半導体発光素子４８が発する光の取り出し効率低下も回避することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発光モジュール６０の側面図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール６０が設けられる以外は、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
発光モジュール６０は、半導体発光素子６２および光波長変換部材５０を備える。第２の実施形態では、半導体発光素子６２は、半導体層６４と、半導体層６４の結晶成長に用いられた結晶成長用基板６６とを有する。結晶成長用基板６６はサファイアによって形成されている。半導体発光素子６２は、結晶成長用基板６６の外面のうち半導体層６４と固着している面と反対側の面が、半導体層６４が発した光の出射面６６ａとなる。
【００３６】
半導体層６４は、結晶成長用基板６６に結晶成長して形成されるため、半導体層６４と結晶成長用基板６６とは互いに固着されている。半導体層６４は、結晶成長用基板６６が除去されていない点を除き第１の実施形態に係る半導体発光素子４８と同様に構成される。したがって半導体発光素子６２もまた、主として青色光を発するよう設けられ、また、フリップチップタイプのものが採用されている。
【００３７】
第２の実施形態では、結晶成長用基板６６の出射面６６ａと光波長変換部材５０の入射面５０ａとが直接接合によって接合される。発明者によって行われた実験の結果、表面活性化接合、およびプラズマ接合の双方とも、両者を直接接合可能であることが確認された。したがってこのような態様によっても、直接接合を用いて半導体発光素子４８と光波長変換部材５０とを互いに固着させることができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る発光モジュール８０の側面図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール８０が設けられる以外は、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
発光モジュール８０は、半導体発光素子６２、光波長変換部材５０、および接合用バッファ層８２を有する。接合用バッファ層８２を形成する材料はＹＡＧであってもよく、またはＳｉＯ２であってもよい。接合用バッファ層８２は、出射面６６ａと入射面５０ａとの間に配置される。
【００４０】
図６は、光波長変換部材５０と半導体発光素子６２とが互いに固着される前の第３の実施形態に係る発光モジュール８０を示す図である。第３の実施形態では、接合用バッファ層８２は、まず半導体発光素子６２の出射面６６ａ上に設けられる。
【００４１】
接合用バッファ層８２は、スパッタリングにより結晶成長用基板６６の出射面６６ａに薄膜形成される。なお、スパッタリングに代えて、蒸着、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、またはＭＢＥ（分子線エピタキシー法：Molecular Beam Epitaxy）が用いられてもよい。接合用バッファ層８２は、半導体層６４が発する光の少なくとも一部を透過させる透光性を有する。
【００４２】
次に、接合用バッファ層８２と光波長変換部材５０の入射面５０ａとが直接接合によって互いに接合される。発明者によって行われた実験の結果、表面活性化接合、およびプラズマ接合の双方とも、両者を直接接合可能であることが確認された。なお、接合用バッファ層８２を形成する材料がＹＡＧであってもＳｉＯ２であっても、これらの接合方法によって両者を固着可能であることが確認されている。したがってこのような態様によっても、直接接合を用いて半導体発光素子６２と光波長変換部材５０とを互いに固着させることができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
図７は、光波長変換部材５０と半導体発光素子６２とが互いに固着される前の第４の実施形態に係る発光モジュール９０を示す図である。なお、発光モジュール４０に代えて発光モジュール９０が設けられる以外は、車両用前照灯１０の構成は第１の実施形態と同様である。以下、上述の実施形態と同様の個所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
接合用バッファ層９２は、まず光波長変換部材５０の入射面５０ａ上に設けられる。接合用バッファ層９２の形成方法は上述と同様である。次に、接合用バッファ層９２と結晶成長用基板６６の出射面６６ａとが直接接合によって互いに接合される。発明者によって行われた実験の結果、表面活性化接合、およびプラズマ接合の双方とも、両者を直接接合可能であることが確認された。なお、接合用バッファ層９２を形成する材料がＹＡＧであってもＳｉＯ２であっても、これらの接合方法によって両者を固着可能であることが確認されている。したがってこのような態様によっても、直接接合を用いて半導体発光素子６２と光波長変換部材５０とを互いに固着させることができる。
【００４５】
なお、光波長変換部材５０の入射面５０ａに接合用バッファ層８２が形成されてもよく、この接合用バッファ層８２と接合用バッファ層９２とが直接接合によって互いに接合されてもよい。接合用バッファ層８２の形成方法は上述と同様である。このように光波長変換部材５０および半導体発光素子６２の双方に接合用バッファ層を設けた場合においても、両者を適切に接合することができる。
【００４６】
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。以下、そうした例をあげる。
【００４７】
ある変形例では、半導体発光素子は紫外光を主として発するものが用いられる。また、光波長変換部材は、紫外光を互いに異なる色の光に変換する複数の光波長変換層が積層されて形成されている。例えば、紫外光を青色光に変換する光波長変換層と、紫外光を黄色光に変換する光波長変換層が積層されて形成されてもよい。または、紫外光を青色光に変換する光波長変換層と、紫外光を緑色光に変換する光波長変換層と、紫外光を赤色光に変換する光波長変換層が積層されて形成されてもよい。このように半導体発光素子および光波長変換部材を構成することによっても、白色光を発する発光モジュールを得ることができる。
【００４８】
なお、光波長変換部材に、紫外光を互いに異なる色の光に変換する複数種類の蛍光体が含められていてもよい。例えば、紫外光を青色光に変換する蛍光体と、紫外光を黄色光に変換する蛍光体が光波長変換部材に含められていてもよい。または、紫外光を青色光に変換する蛍光体と、紫外光を緑色光に変換する蛍光体と、紫外光を赤色光に変換する蛍光体が光波長変換部材に含められていてもよい。このように半導体発光素子および光波長変換部材を構成することによっても、白色光を発する発光モジュールを得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
４０  発光モジュール、  ４４  基板、  ４８  半導体発光素子、  ４８ａ  発光面、  ５０  光波長変換部材、  ５０ａ  入射面、  ６０  発光モジュール、  ６２  半導体発光素子、  ６４  半導体層、  ６６  結晶成長用基板、  ６６ａ  出射面、  ８０  発光モジュール、  ８２  接合用バッファ層、  ９０  発光モジュール。
【図１】
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【図２】
2010287687.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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