(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光源によって蛍光体を励起し、発光を得る発光装置において、より効率よく発光を得られる装置を提供する。【解決手段】貫通孔６を有する基台２と、貫通孔６を塞ぐように基台２上に配置された波長変換部１と、貫通孔６を通じて波長変換部１に光を照射する半導体発光素子と、を備え、基台２と波長変換部１の間に、透光層８が形成されている半導体発光装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する基台と、
前記貫通孔を塞ぐように前記基台上に配置された波長変換部と、
前記貫通孔を通じて前記波長変換部に光を照射する半導体発光素子と、を備え、
前記基台と前記波長変換部の間に、３０μｍ以上の厚さの透光層が前記貫通孔に端面を露出するように形成されている半導体発光装置。
【請求項２】
前記透光層は、ビーズを含む樹脂によって構成される請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記ビーズは、前記樹脂との屈折率差が±０．０５以内である請求項２に記載の半導体発光装置
【請求項４】
前記貫通孔は、前記基台に形成された凹部底面に形成されており、前記透光層は、前記波長変換部と前記凹部底面との間に配置された樹脂層である、請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記透光層は、ガラス、セラミックのいずれかで形成されている請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記波長変換部の前記貫通孔側に向いた面であって前記貫通孔に上面視重ならない部分に、前記基台に接触する凸部が形成され、前記透光層の厚さを規定する請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記基台上面の前記波長変換部側に向いた面であって前記貫通孔に上面視重ならない部分に、前記波長変換部に接触する凸部が形成され、前記透光層の厚さを規定する請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記波長変換部の側面は、反射性樹脂で覆われている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、半導体発光装置に関する。より詳しくは、半導体発光素子から発した光によって波長変換材料を励起し、波長変換光を放出させ、この波長変換光を利用する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザー光源と蛍光体とを組み合わせた構造の発光装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レーザ光源と、レーザ光によって励起され、発光する蛍光体と、蛍光体の励起光照射側に配置される透光性熱伝導部材と、透光性熱伝導部材と蛍光体との間を埋める間隙層とで構成された発光装置が記載されている。この装置においては、蛍光体がレーザ光によって励起され、発光する際に発する熱を透光性熱伝導部材に効率よく伝達できるよう、熱伝導性粒子が間隙層に含まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０５９４５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の目的は、レーザ光源によって蛍光体を励起し、発光を得る発光装置において、より効率よく発光を得られる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決のため、本願発明者は研究の末、以下の手段を発明するに至った。即ち、貫通孔を有する基台と、
前記貫通孔を塞ぐように前記基台上に配置された波長変換部と、
前記貫通孔を通じて前記波長変換部に光を照射する半導体発光素子と、を備え、
前記基台と前記波長変換部の間に、３０〜１００μｍの厚さの透光層が形成されている半導体発光装置とすることである。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によれば、発光光率の良い半導体発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本願発明の第一の実施形態の説明図である。
【図２】本願発明の第二の実施形態の説明図である。
【図３】本願発明の第三の実施形態の説明図である。
【図４】本願発明の第四の実施形態の説明図である。
【図５】本願発明の第五の実施形態の説明図である。
【図６】本願発明の効果を示す図である。
【図７】比較例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願発明の課題を説明するため、まず図７に示す比較例から説明する。図７（Ａ）は、本願発明に関連する発光装置の概観図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中の点線で囲んだ部分の拡大図である。この図において、波長変換部１は貫通孔６を有する基台２に、貫通孔６を塞ぐように配置されている。また、波長変換部１は、基台２に対して接着剤等（図示せず）で固定されている。この接着剤は、波長変換部１で発生する熱を有効に基台２に伝達するため、しばしば数μｍ〜十数μｍ程度の厚みに抑えられる。波長変換部１の外周は反射性樹脂４によって覆われ、波長変換部１内部を伝播し波長変換部１の外周に達する光を内部に戻す。また、反射性樹脂４は基台２の外周から上方へ延びる外壁３と波長変換部１との間を充填している。レーザダイオード５とレンズ１５は、光軸を貫通孔６の中心に合わせてあり、電力を投入することによって波長変換部１の下面に照射される。ここで、波長変換部１は下層側の散乱層１２と上層側の蛍光体層１１とを積層して構成される。
【００１０】
レーザダイオード５から出射光７が貫通孔６を介して波長変換部１へ入射すると、出射光７は散乱層１２に入射し、散乱層１２の中を散乱、導波しながら蛍光体層１１を照射する。蛍光体層１１には出射光７によって励起され、蛍光を発する蛍光体が含まれているため、蛍光体層１１は蛍光を発し、それらは波長変換部１の上面から外部に放出される。なお、出射光７の一部が蛍光体層１１の蛍光体を励起せずにそのまま上面から放出され、蛍光と出射光の混合光が放出される場合もある。
【００１１】
ここで、レーザダイオード５から入射した出射光７は、その全てが散乱層１２に入射するわけではなく、レーザダイオード５側へ反射される戻り光９も存在する。戻り光９の分だけ波長変換部１へ入射して蛍光体を励起する光が減少し、全体としての発光光率は低下する。この戻り光９の全入射光束に対する割合は４０〜５０％程度であることを本願発明者は発見した。そこで、本願発明者は、この戻り光９による効率低下を抑制する、との課題を発見し、これを解決する方法を得た。
【００１２】
次に、図１に本願発明の第一の実施形態の説明図を示す。この図において、波長変換部１は貫通孔６を有する基台２に、貫通孔６を塞ぐように配置されている。波長変換部１の外周は反射性樹脂４によって覆われ、波長変換部１内部を伝播し波長変換部１の外周に達する光を内部に戻す。また、反射性樹脂４は基台２の外周から上方へ延びる外壁３と波長変換部１との間を充填している。レーザダイオード５は、光軸を貫通孔６の中心に合わせてあり、電力を投入することによって波長変換部１の下面に照射される。ここで、波長変換部１は下層側の散乱層１２と上層側の蛍光体層１１とを積層して構成される。また、波長変換部１は透光層８を介して基台２に固定されている。
【００１３】
レーザダイオード５から入射した出射光７は、その全てが散乱層１２に入射しない点は、比較例と同様である。しかし、本願発明においては、散乱層１２によってレーザダイオード５側へ反射される戻り光９の一部は、貫通孔６に面した端面から透光層８へ入射し、基台２による反射を介して再度波長変換部１に照射される。この結果、戻り光９をより効果的に蛍光体の励起に用いることができ、発光装置の効率向上の効果を得ることができる。
【００１４】
特に、透光層８へ入射した戻り光９は、透光層８中で導光によって隅々まで広がって波長変換部１に入射する。比較例においては、波長変換部１を蛍光体層１２側から見ると、中央部分が一番明るく、散乱層１２によっても入射した光を蛍光体層１２に均一に励起していないことが分かるが、本発明では戻り光９の導光によって蛍光体層１２がほぼ均一に励起され、結果として励起光の輝度ムラなどを改善できる。
【００１５】
波長変換部１は、レーザダイオード５からの光によって励起される蛍光体を含む蛍光体層１１を有する。しかし、図１の通り、蛍光体層１１に、更に散乱層１２を含んでも良い。散乱層１２によって、より効果的にレーザダイオード５からの光を散乱し、蛍光体層１１全体に光を分配することができる。
【００１６】
蛍光体層１１は、蛍光体を含む樹脂を板状に形成したもの、蛍光体を含むガラス又はセラミックを板状に成形し、焼結したもの、蛍光体自体を板状に成形し、焼結したもの等を利用しうる。樹脂を用いる場合には、耐光性の観点からシリコーン樹脂を用いることが望ましい。セラミックを用いる場合には、透光性である必要があることからアルミナ等が好適である。蛍光体自体を用いる場合には、Ｃｅを所定の濃度に調整したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の焼結体が望ましい。セラミック又は蛍光体自体の焼結体は、レーザダイオードからの光によって劣化する有機物を含まず、使用中の光度低下の恐れが少ないため、特に好ましい。
【００１７】
散乱層１２は、例えば散乱材を含む樹脂を板状に形成したもの、散乱材を含むガラスを板状としたもの、セラミックを板状としたもの等を利用しうる。セラミックを用いる場合には、その材料中に入るポア（空孔）が入射した光を散乱させて蛍光体層１１全体に広げることができる。散乱層１２は、蛍光体層１１とは接着剤等を介して接着される。
【００１８】
レーザダイオード５は、所望の波長の光を出力として得るために、波長変換部１を励起しうる光源として適切なものを選択すればよい。黄色蛍光体を含む波長変換部１を励起して黄色蛍光を放出させ、レーザ光と合わせて白色光を出力として得るのであれば、青色発光レーザが望ましい。例えば、発光波長４５０ｎｍのＩｎＧａＮ／ＧａＮ系レーザを利用しうる。
【００１９】
透光層８は、スペーサーとしての役割を持ち、透明ガラス、樹脂シート、印刷・スタンプによる高粘度の樹脂（１Ｐａ・ｓ以上、好ましくは５Ｐａ・ｓ以上）などを用いることができる。特に高粘度の樹脂を使用する際、透光層８を基台２の上に形成してから波長変換部１をその上から配置することになるが、波長変換部１からのプレス荷重を調整することでより高精度に高粘度樹脂の高さを制御することができる。樹脂を用いる場合、耐熱性や耐光性の観点からジメチル系シリコーン樹脂が好ましい。樹脂中には貫通孔に入射し散乱層１２で後方散乱したレーザ光が透光層８に導波しやすくするためフィラーを混入させていない。しかし、光学散乱に寄与しない１００ｎｍ以下の微粒子であれば入れても良い。なお、必ずしも樹脂等の物質で埋まっている必要はなく、空気層の隙間でもよい。
【００２０】
基台２は、波長変換部１から発生する熱を放出する他、透光層８を導光する光に対して反射損失が少ないものが望ましい。このため、熱伝導性に優れた銅の上面に反射率に優れたアルミニウムをコーティングしたもの等が好適に利用しうる。また、好ましくは、基台上面部を鏡面加工することにより反射率を向上させる。
【００２１】
反射性樹脂４は、例えばシリコーン樹脂にＴｉＯ２等の光反射性の高い樹脂を混合したものからなる。反射性樹脂４は、散乱層１２や蛍光体層１１を導波してその端面に至った光を反射し、再度散乱層１２や蛍光体層１１の内部へ戻す機能を有する。
【００２２】
図２に、本発明の第二の実施形態を示す。図２において、基本的な構成は図１と同様である。違いは、樹脂製の透光層８中に膜厚を保つためにビーズ１３（スペーサ）を有していることである。ここで、ビーズ１３は、球状かつ透光性である。また、熱伝導性が高いことがより望ましい。図２（Ｂ）は、本発光装置の波長変換部１の載置部分を蛍光体層１１の側から見た図、図２（Ａ）は点線部ＸＸ’で切断した断面図である。図２（Ｂ）において、ビーズ１３が配置されている場所は、基台２に設けられた貫通孔６以外の場所であり、対応する配置場所を丸印で示している。ビーズ１３は、３つ以上あれば透光層８の厚さを一定にすることができる。
【００２３】
波長変換部１を蛍光体層１１の側から見た際の大きさは、レーザ光によってある程度均一に励起され、蛍光を発することができる程度に設定される。このため、波長変換部１の面積は８００μｍ×４００μｍ程度となる。従って、波長変換部１の下に形成される透光層８の面積は上記面積から貫通孔６の面積を引いた値になる。貫通孔６は、レーザ光のスポットサイズ次第ではあるが、φ２００μｍ程度の円形である。ここで、ビーズ１３の球径φ、即ち透光層８の厚さは３０μｍから１００μｍ程度である。φ３０μｍのビーズを３つ用いる場合、波長変換部１の下に形成される透光層８の中に占めるビーズ１３の面積の割合は、３×（（３０／２）２×π）／｛（８００×４００）−（２００／２）２×π｝≒０．００７、即ち１％にもならない。従って、φ３０μｍのビーズを３つ使うだけであれば、透光層８中の導光を妨げることがほとんどない。
【００２４】
透光層８の中に配置されるビーズ１３の個数（即ち、透光層におけるビーズの濃度）が大きくなるにつれて、透光層８とビーズ１３との間の界面が増えていくことになり、これが透光層中の導光を妨げ始める。従って、導光の観点からビーズ１３は最小限であることが望ましい。上記で計算例を示した透光層中にしめるビーズの面積の割合は、大きくとも２０％以下とすべきである。
【００２５】
ここで、第二の実施形態の変形例として、ビーズ１３と透光層８との屈折率をほぼ一致させた物質同士の組み合わせとしてもよい。例えば、ジメチル系シリコーン樹脂の屈折率は１．４１程度であり、他方でＳｉＯ２ビーズの屈折率も同程度である。また、フェニル系シリコーン樹脂の屈折率は１．５〜１．６５であるため、アルミナ（ｎ＝１．５８〜１．６５）のような熱伝導性に優れた材料を選択できる。このような樹脂とビーズの材料同士の組み合わせであれば、透光層８中に占める面積の割合などを気にすることなくビーズ１３を透光層８に含ませることができる。なお、ここで屈折率が同程度とは、２つの物質の屈折率差Δｎが±０．０５以内に収まることを言うものとする。
【００２６】
図３に、本発明の第三の実施形態を示す。図３において、基本的な構成は図１、２と同様である。違いは、樹脂製の透光層８の膜厚を保つために凹部１４を有していることである。凹部１４は、波長変換部１の大きさに対してやや小さく、かつ、その底部に貫通孔６が形成されている。貫通孔部分を除く凹部１４底面と波長変換部１との間には、透光層８が形成され、戻り光９が導光するようになっている。この構成は、凹部１４の深さのみで透光層８の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
【００２７】
図４に、本発明の第四の実施形態を示す。図４において、基本的な構成は図１〜３と同様である。違いは、樹脂製の透光層８の膜厚を保つために散乱層１２の底部であって、上面視貫通孔６と重ならない部分に散乱層凸部１６を有していることである。散乱層凸部１６は、散乱層１２の底部に３つ以上同じ高さで形成される。基台２と散乱層１２との間には透光層８が形成され、波長変換部１と基台２との間を接着しつつ、戻り光９が導光する機能をも備える。この構成は、散乱層凸部１６の高さのみで透光層８の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
【００２８】
図５に、本発明の第五の実施形態を示す。図５において、基本的な構成は図１〜４と同様である。違いは、樹脂製の透光層８の膜厚を保つために基台２の上面であって、上面視貫通孔と重ならない部分に基台２から飛び出して散乱層１２底部に接触する基台凸部１７を有していることである。基台凸部１７は、散乱層１２の底部に接するように３つ以上同じ高さで形成され、波長変換部１との間の距離を一定に保つ。基台２と散乱層１２との間には透光層８が形成され、波長変換部１と基台２との間を接着しつつ、戻り光９が導光する機能をも備える。この構成は、基台凸部１７の高さのみで透光層８の厚さを制御でき、ビーズの屈折率等を気にする必要がないため、制御性が良く簡便である。
【００２９】
図６に、本発明の実施において、透光層８の厚さに対して装置全体の光束がどの程度向上するか、その結果を示す。この図において、透光層厚み０μｍとは、透光層を設けない比較例の値である。また、光束向上率とは、厚み０μｍの比較例の場合の光束に対する向上した光束の比率を示す。
【００３０】
透光層８は、貫通孔６に面した端面部分から戻り光９を取り込むため、透光層８が厚いほど、端面部分の面積が大きく、光束向上率も上昇を見込むことができる。一方で、透光層８が厚すぎると、透光層８を介して波長変換部１で生じた熱を逃がすことができないため、蛍光体層１１の温度消光現象により発光光率が低下する。従って、発光装置の全体としての発光強度という観点から、透光層８の厚さには良好なバランスが取れる最適な範囲が存在する。
【００３１】
図６から、透光層８の厚さが３０μｍのとき、光束向上率は約７％である。概ね、この程度の厚さ以上であれば、効果があると考えられる。一方、放熱性の観点から、透光層８の厚さは透光層が樹脂の場合には１００μｍ以下が妥当と考えられる。また、セラミック等の熱伝導率がより高い材料を透光層として用いる場合には、２００μｍ程度であっても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１    波長変換部
２    基台
３    外壁
４    反射性樹脂
５    レーザダイオード
６    貫通孔
７    出射光
８    透光層
９    戻り光
１１  蛍光体層
１２  散乱層
１３  ビーズ
１４  凹部
１５  レンズ
【図１】
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【図２】
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【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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