(57)【要約】【課題】実装基板に配置されたＬＥＤチップから波長変換部材側に放射され、実装基板側に向かう戻り光を抑制し、光取り出し効率の向上を図ることができる発光装置を提供することにある。【解決手段】ＬＥＤチップ１と、該ＬＥＤチップ１が一表面２ａ側に配置される実装基板２と、該実装基板２の上記一表面２ａ側でＬＥＤチップ１を囲む形で配設され、ＬＥＤチップ１から放射される光を波長変換する蛍光体が含有されたキャップ状の波長変換部材３とを有する発光装置１０であり、波長変換部材３は、上記内側面３ａが、キャップ状の頂上部３ｄ側で角ばっており、ＬＥＤチップ１から放射された光をフレネル反射させ、該フレネル反射した光を対向する内側面３ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップが一表面側に配置される実装基板と、該実装基板の前記一表面側で前記ＬＥＤチップを囲む形で配設され、前記ＬＥＤチップから放射される光を波長変換する蛍光体が含有されたキャップ状の波長変換部材とを有する発光装置であって、前記波長変換部材は、内側面が、前記キャップ状の頂上部側で角ばっており、前記ＬＥＤチップから放射された光をフレネル反射させ、該フレネル反射した光を対向する内側面側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしてなることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記波長変換部材は、前記ＬＥＤチップから発せられ前記波長変換部材を透過した場合における光の光路長が、前記実装基板の前記一表面側に対する前記ＬＥＤチップからの光の角度によらず一定となる厚みにしたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記波長変換部材は、前記内側面のうち、前記実装基板側と接する底部から立ち上がる部位が前記実装基板の前記一表面に対して垂直であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記ＬＥＤチップは、一主面が前記実装基板側と対向配置される窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部と、該ＬＥＤ薄膜部の他主面に結合され、前記波長変換部材の前記頂上部側に突出する錐体形状の酸化亜鉛基板とを備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤチップおよびＬＥＤチップからの光を波長変換する波長変換部材を備えた発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮなど）により形成されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されＬＥＤチップからの光よりも長波長の光を放射する蛍光体が含有された波長変換部材と、を組み合わせた発光装置の研究開発が各所で行われている。
【０００３】
この種の発光装置は、たとえば、ＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップが凹部内に実装された実装基板と、蛍光体を含有させたシリコーン樹脂やエポキシ樹脂を前記凹部内にポッティングおよび硬化させることにより形成させた波長変換部材とで構成とすることができる。また、発光装置は、前記実装基板と、前記波長変換部材との界面でボイドが発生することを抑制し、放出される光の均一性を向上させるため、ＬＥＤチップを囲む形で実装基板上に、ドーム状に成形させた波長変換部材を配設して構成することもある。
【０００４】
このような発光装置は、たとえば、ＬＥＤチップから放射された青色の光と、波長変換部材中に含有された蛍光体が放射する黄色の光との混色光（たとえば、白色の光）を放射させることができる。
【０００５】
たとえば、図６示すように、ＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１がサブマウント部材４を介して配置された実装基板２と、透光性材料により形成され該実装基板２におけるＬＥＤチップ１の実装面側でＬＥＤチップ１を囲む円筒状の枠体７と、枠体７の内側でＬＥＤチップ１およびＬＥＤチップ１と電気的に接続された金属線１４，１４を封止し且つ弾性を有するシリコーン樹脂などの透光性樹脂部８と、該透光性樹脂部８が内部に配置された枠体７を覆ったレンズ９と、ＬＥＤチップ１から放射される光を波長変換する蛍光体が含有され、実装基板２上の枠体７およびレンズ９の光出射面９ｂと空気層６を介して配設されたドーム状の波長変換部材３’とを備えてなる発光装置１０’が知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００６】
ここで、ＬＥＤチップ１は、導電性基板１３上にＬＥＤ薄膜部１１を備えて構成されている。また、実装基板２は、放熱板２１上に絶縁層２３を介してＬＥＤチップ１に給電させるための一対の導電パターン２４，２４が設けられている。ＬＥＤチップ１は、実装基板２の放熱板２１上に設けられた絶縁層２３を介さず、放熱板２１と熱伝導できるように絶縁層２３の窓孔２３ａ内にサブマウント部材４を介して配置している。
【０００７】
このような発光装置１０’は、ＬＥＤチップ１から放射された光の一部が、レンズ９の光入射面９ａ、レンズ９の光出射面９ｂ、空気層６を介してドーム状の波長変換部材３’の内側面３ａ’および外側面３ｂ’を通して外部に放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６５８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、発光装置１０’は、光取り出し効率の向上の観点から、ＬＥＤチップ１から放射された光の全てが、ドーム状の波長変換部材３’に照射され、ドーム状の波長変換部材３’に含有された蛍光体に吸収されるか、ドーム状の波長変換部材３’を透過して発光装置１０’の外部に放射されることが好ましい。
【００１０】
しかしながら、発光装置１０’は、ＬＥＤチップ１から波長変換部材３’の内側面３ａ’に放射された光のうち、ドーム状の波長変換部材３’の内部で、ＬＥＤチップ１が実装される実装基板２側に反射などされる戻り光が少なからずある。
【００１１】
このような戻り光は、ＬＥＤチップ１や実装基板２の材質や形状などにもよるが、戻り光のうち、約３０％から約５０％もの光がＬＥＤチップ１や実装基板２に吸収される場合もある。そのため、発光装置１０’は、光取り出し効率の低下を十分に抑制することができない恐れもある。
【００１２】
発光装置１０’は、実装基板２の絶縁層２３の露出部位および導体パターン２４，２４の一部を覆うように白色系の樹脂からなる絶縁反射層を形成させることで、戻り光を前記絶縁反射層でドーム状の波長変換部材３’の内側面３ａ’側に再反射させて光取り出し効率を高めることができる。
【００１３】
しかしながら、発光装置１０’は、実装基板２の絶縁層２３に前記絶縁反射層を形成させたとしても、前記絶縁反射層の材料や経時劣化などに伴い、戻り光の全てを反射することができない。特に、上述の発光装置１０’では、ドーム状の波長変換部材３’の頂上部がなだらかな曲面を構成していることから、ＬＥＤチップ１からの光が照射される上記なだらかな曲面の面積が大きく、波長変換部材３’側から実装基板２側への戻り光が多くなる傾向にある。
【００１４】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、実装基板に配置されたＬＥＤチップから波長変換部材側に放射され、実装基板側に向かう戻り光を抑制し、光取り出し効率の向上を図ることができる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップが一表面側に配置される実装基板と、該実装基板の前記一表面側で前記ＬＥＤチップを囲む形で配設され、前記ＬＥＤチップから放射される光を波長変換する蛍光体が含有されたキャップ状の波長変換部材とを有する発光装置であって、前記波長変換部材は、内側面が、前記キャップ状の頂上部側で角ばっており、前記ＬＥＤチップから放射された光をフレネル反射させ、該フレネル反射した光を対向する内側面側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、波長変換部材は、内側面が、キャップ状の頂上部側で角ばっており、ＬＥＤチップから放射された光をフレネル反射させ、該フレネル反射した光を対向する内側面側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしてなることによって、前記波長変換部材側からの戻り光が前記波長変換部材の内側面に直接照射される割合を増加させることができる。そのため、発光装置は、前記波長変換部材の内部での戻り光が実装基板などに吸収される割合を低減されることにより、光取り出し効率の向上を図ることができる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記波長変換部材は、前記ＬＥＤチップから発せられ前記波長変換部材を透過した場合における光の光路長が、前記実装基板の前記一表面側に対する前記ＬＥＤチップからの光の角度によらず一定となる厚みにしたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記波長変換部材が、前記ＬＥＤチップから発せられ前記波長変換部材を透過した場合における光の光路長を、前記実装基板の前記一表面側に対する前記ＬＥＤチップからの光の角度によらず一定となる厚みにしたことにより、前記波長変換部材の場所によらず均一に波長変換された光を外部へ放射することができる。すなわち、発光装置は、前記ＬＥＤチップからの光と、前記波長変換部材の蛍光体からの光との混色光を発する場合、どの出射方向の光においても、混色光の色温度が略一定で、色むらの角度依存性が、より少ない光を放射することができる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記波長変換部材は、前記内側面のうち、前記実装基板側と接する底部から立ち上がる部位が前記実装基板の前記一表面に対して垂直であることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、前記波長変換部材は、前記内側面のうち、前記実装基板側と接する底部から立ち上がる部位が前記実装基板の前記一表面に対して垂直とすることで、前記ＬＥＤチップから放射される前記実装基板の前記一表面に対する光の角度が小さい光や、前記実装基板の前記一表面と略平行な水平方向に出射される光がフレネル反射した光についても、対向する前記波長変換部材の前記内側面に直接照射させることが可能となる。そのため、発光装置は、前記実装基板側で吸収される光を、より抑制することができ、光取り出し効率をより高めることが可能となる。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記ＬＥＤチップは、一主面が前記実装基板側と対向配置される窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部と、該ＬＥＤ薄膜部の他主面に結合され、前記波長変換部材の前記頂上部側に突出する錐体形状の酸化亜鉛基板とを備えてなることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、前記ＬＥＤチップは、一主面が前記実装基板側と対向配置される窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部と、該ＬＥＤ薄膜部の他主面に結合され、前記波長変換部材の前記頂上部側に突出する錐体形状の酸化亜鉛基板とを備えてなることで、前記ＬＥＤチップから放射される光の光軸に対する出射角を広くすることができる。そのため、発光装置は、前記ＬＥＤチップから放射された光を前記波長変換部材の前記内側面の略全体に照射させ、発光装置の外部に放射される光の色調の均一性を高めつつ、光取り出し効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明では、波長変換部材の内側面が、キャップ状の頂上部側で角ばっており、ＬＥＤチップから放射された光をフレネル反射させ、該フレネル反射した光を対向する内側面側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしていることにより、実装基板に配置された前記ＬＥＤチップから前記波長変換部材側に放射され、前記実装基板側に向かう戻り光を抑制し、光取り出し効率の向上を図ることができる発光装置を提供できるという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１の発光装置を示す概略断面説明図である。
【図２】同上の発光装置を説明する別の概略断面説明図である。
【図３】実施形態２の発光装置を示す概略断面説明図である。
【図４】実施形態３の発光装置を示す概略断面説明図である。
【図５】実施形態４の発光装置を示す概略断面説明図である。
【図６】従来の発光装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置を図１および図２に基づいて説明する。
【００２６】
本実施形態の図１に示す発光装置１０は、ＬＥＤチップ１と、該ＬＥＤチップ１がサブマウント部材４を介して一表面２ａ側に実装配置された実装基板２と、該実装基板２の上記一表面２ａ側でＬＥＤチップ１を囲む形で配設されＬＥＤチップ１から放射される光Ｌ１を波長変換する蛍光体が含有された波長変換部材３とを有している。特に、波長変換部材３は、内側面３ａが、前記キャップ状の頂上部３ｄ側で角ばっており、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１の一部をフレネル反射させ、該フレネル反射した光Ｌ３を対向する波長変換部材３の上記内側面３ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしている。
【００２７】
より具体的には、キャップ状の波長変換部材３は、実装基板２の上記一表面２ａと平行な断面が同心円状のリング形状としてある。ここで、波長変換部材３は、上記内側面３ａがキャップ状の頂上部３ｄ側で、波長変換部材３の頂上部３ｄの上記内側面３ａと、実装基板２の上記一表面２ａの法線とで形成される傾斜角α１を形成するよう角ばっている。
【００２８】
ここで、本実施形態の発光装置１０を説明するために、図１中には、便宜上、実装基板２の上記一表面２ａをＸ軸とし、実装基板２の上記一表面２ａ上の中心でＬＥＤチップ１を点光源と見做した位置から上記一表面２ａに対する法線をＹ軸として示している。したがって、前記点光源を配置されたＸ軸とＹ軸との交点が、原点としている。
【００２９】
ここで、波長変換部材３の上記内側面３ａは、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１の実装基板２の上記一表面２ａに対する角度θと、ＬＥＤチップ１から光Ｌ１が放射され、波長変換部材３の上記内側面３ａでフレネル反射した光Ｌ３が実装基板２の上記一表面２ａに平行な面（図１中の一点鎖線を参照）となす角度φと、ＬＥＤチップ１から出射した光Ｌ１が波長変換部材３の上記内側面３ａに到達する点までの距離Ｉと、上記原点から波長変換部材３における底部３ｃの上記内側面３ａまでの距離ａとした場合において、以下の数式（１）で表される曲面の形状としている。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
発光装置１０は、キャップ状の波長変換部材３側の内部で、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１の戻り光として、ａ）ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１のうち、異なる屈折率を持つ境界面に対して光が入射する際、屈折率の差と入射角とに依存して、その光の一部がフレネル反射に起因する波長変換部材３の上記内側面３ａで反射される光Ｌ３、ｂ）ＬＥＤチップ１から波長変換部材３中の蛍光体に照射され、該蛍光体の表面で反射散乱した光Ｌ４およびｃ）波長変換部材３の上記蛍光体で、波長変換されて等方的に放射される長波長の光Ｌ５がある。ここで、フレネル反射した戻り光Ｌ３は、波長変換部材３の上記蛍光体により反射散乱された光Ｌ４や上記蛍光体から等方的に放射される長波長の光Ｌ５に対して、波長変換部材３の材質や形状などにより比較的制御しやすい。
【００３２】
本実施形態の発光装置１０は、波長変換部材３のキャップ状の頂上部３ｄ側の上記内側面３ａが上記傾斜角α１を形成するように角ばっており、キャップ状の波長変換部３の頂上部３側での戻り光Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５が実装基板２側に反射されるのを頂上部３ｄ側がなだらかな曲面を構成するドーム状の波長変換部材３と比較して抑制している。特に、波長変換部材３の上記内側面３ａが、フレネル反射した光Ｌ３を効率よく波長変換部材３の上記内側面３ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしている。
【００３３】
すなわち、本実施形態の発光装置１０は、波長変換部材３の上記内側面３ａでフレネル反射した光Ｌ３を、実装基板２側で吸収されることによる損失を低減させることが可能となり、内部吸収ロス（波長変換部材３と実装基板２とで囲まれた空間内で、実装基板２の上記一表面２ａなどで光吸収された損失分）を、たとえば、５％以下に抑え、光取り出し効率を向上させることができる。
【００３４】
本実施形態のより具体的な発光装置１０の構成は、ＬＥＤチップ１が平板状の窒化アルミニウム基板上に表面がＡｕでメッキされた一対の導体パターン（図示していない）が形成されたサブマウント部材４を介して実装基板２に実装配置してある。サブマウント部材４の一対の上記導体パターンには、それぞれ複数個の金属バンプ（図示していない）を設けている。
【００３５】
ＬＥＤチップ１は、サファイア基板上にｐ型およびｎ型の窒化物半導体層がｐｎ接合を備えて形成され、ｐ型およびｎ型の各窒化物半導体と電気的に接続される正負の各電極が同一面側に設けられている。ＬＥＤチップ１は、正負の各電極が形成された窒化物半導体層側を実装基板２側であるサブマウント部材４と対向配置し、ＬＥＤチップ１の同一平面側に設けられた正負の上記電極を、サブマウント部材４の一対の上記導体パターン上の上記金属バンプにフリップチップ実装している。また、サブマウント部材４の上記導体パターンは、実装基板２の上記一表面２ａ側に設けた導体パターンと、金属線（図示していない）を介して電気的に接続させている。ＬＥＤチップ１は、外部から実装基板２の上記導電パターンに通電することにより、ピーク波長が、たとえば、４２０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲内にある青色光を放射する。
【００３６】
本実施形態の発光装置１０における波長変換部材３は、青色光を吸収して黄色光が発光可能な希土類金属で付活された珪酸塩系の黄色蛍光体として、（Ｂａ０．０５Ｓｒ０．９３Ｅｕ０．０２）２ＳｉＯ４が均一に含有されたジメチル系シリコーン樹脂を用いて形成している。波長変換部材３の形状は、半楕球の上端に円錐の底面を組み合わせたような形状となる上述した上記内側面３ａを備えたキャップ状に成形してある。このような波長変換部材３は、ＬＥＤチップ１を囲むように、波長変換部材３の底部３ｃを実装基板２側に対して、接着剤（たとえば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂など）を用いて接着固定させている。
【００３７】
また、波長変換部材３は、図２に示すように、ＬＥＤチップ１から発せられ波長変換部材３を透過した場合における光の光路長ａ，ｂ，ｃが、実装基板２の上記一表面２ａ側に対するＬＥＤチップ１からの光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃの角度Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３によらず、一定となる厚みに形成してある。すなわち、図２に示す発光装置１０は、実装基板２の上記一表面２ａに対するＬＥＤチップ１からの光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃの角度Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３によらず、ＬＥＤチップ１から発せられる光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃの放射方向における波長変換部材３の上記内側面３ａと、波長変換部材３の外側面３ｂとの間の距離が略一定値となる。
【００３８】
そのため、発光装置１０から放射された光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃは、どの出射方向の光に対しても混色光の色温度が略一定で、色むらの角度依存性が、より少ない均一な色調の光を放射することができる。なお、図２に示す発光装置１０は、角度Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をなすＬＥＤチップ１から放射される光の光学中心を便宜上、ＬＥＤチップ１の底面の一点（図２中のＸ軸とＹ軸との原点）に示しているが、ＬＥＤチップ１の重心として波長変換部材３を設計することもできる。
【００３９】
以下、本実施形態の発光装置１０に用いられる各構成について詳述する。
【００４０】
本実施形態の発光装置１０に用いられるＬＥＤチップ１は、通電により光を発光可能な半導体発光素子である。ＬＥＤチップ１が放射する光は、たとえば、可視光のうちエネルギーの強い青色光とすることができるが、青色光のみに限定するものではない。ＬＥＤチップ１は、波長変換部材３の上記蛍光体を効率よく励起させるため、紫外線や他の波長の光を用いてもよい。ＬＥＤチップ１は、たとえば、サファイア基板、スピネル基板、窒化ガリウム基板、酸化亜鉛基板や炭化シリコン基板などの結晶成長基板上に、窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部として、ｐｎ接合を備えた窒化物半導体層を有するものが挙げられる。
【００４１】
なお、ＬＥＤチップ１のＬＥＤ薄膜部は、サファイア基板の主表面側に低温バッファ層を介してｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層の順に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができる。ここで、上記ＬＥＤ薄膜部のエピタキシャル成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、たとえば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを用いて成膜してもよい。
【００４２】
また、本実施形態のＬＥＤチップのＬＥＤ薄膜部を構成するｎ型窒化物半導体層は、発光層に対してクラッド層として機能するとともにコンタクト層としても機能するｎ型ＧａＮ層により構成されているが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。また、発光層は、ＧａＮ層からなる障壁層によりＩｎＧａＮ層からなる井戸層が挟まれた量子井戸構造を有しており、発光層の発光ピークが、たとえば、４６０ｎｍとなるようにＩｎＧａＮの組成比を設定しているが、発光波長（発光ピーク波長）は、特に限定するものでもない。なお、発光層は、単一量子井戸構造に限らず多重量子井戸構造でもよい。発光層の材料も窒化物半導体材料であればよく、たとえば、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮのほか、ＳｉやＺｎなど各種不純物が含有されたＧａＮなどでもよい。ｐ型窒化物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層で構成してあるが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。したがって、ｐ型窒化物半導体層は、たとえば、発光層に対してクラッド層として機能するｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ型窒化物半導体層と、コンタクト層として機能するｐ型ＧａＮ層からなる第２のｐ型窒化物半導体層とに機能分離して構成しても良い。
【００４３】
なお、本実施形態のＬＥＤチップ１は、絶縁性基板上にＬＥＤ薄膜部が形成され、ＬＥＤ薄膜部の同一面側に正負の各電極がそれぞれ形成されたものであるが、これのみに限られるものではない。したがって、ＬＥＤチップ１は、図６に示したＬＥＤチップ１と同様に、導電性基板１３上にＬＥＤ薄膜部１１が形成され、ＬＥＤチップ１の厚み方向の両面側に正負の各電極がそれぞれ形成されたものを用いてもよい。
【００４４】
本実施形態の発光装置１０では、実装基板２上に一個のＬＥＤチップ１を実装しているが、ＬＥＤチップ１は、発光装置１０全体から見て点光源とみなされる場合には、一個だけに限らず複数個用いてもよい。この場合、各ＬＥＤチップ１は、適宜に直列、並列や直並列に電気的に接続させればよい。また、ＬＥＤチップ１は、同種のものを用いてもよいし、異なる発光波長を発光する複数個のＬＥＤチップ１を用いてもよい。たとえば、発光色を調整するなどの目的で赤色光、青色光がそれぞれ発光可能な２種類のＬＥＤチップ１を備えた発光装置１０の構成とすることもできる。
【００４５】
次に、本実施形態の発光装置１０に用いられる実装基板２は、上記一表面２ａ側にＬＥＤチップ１が配置可能であり、ＬＥＤチップ１を囲む形で内部に収納したキャップ状の波長変換部３の底部３ｃを配設できるものである。実装基板２は、上記一表面２ａ上に一対の上記導電パターンが設けられたものを利用し、ＬＥＤチップ１の通電経路を構成することができる。
【００４６】
本実施形態の発光装置１０における実装基板２は、放熱板２１と、放熱板２１上に形成させた絶縁反射層２２とを備えている。絶縁反射層２２は、白色顔料が含有された樹脂の塗布により形成することができる。また、絶縁反射層２２上には、ＬＥＤチップ１に給電するための導電パターン（図示していない）が形成されている。放熱板２１の材料は、絶縁反射層２２に比べて熱伝導率の高い材料であればよく、たとえば、Ｃｕ材料、Ａｌ材料、Ｆｅ材料などの金属材料、窒化アルミニウム材料、アルミナ材料などを用いたセラミック基板などを好適に用いることができる。
【００４７】
なお、本実施形態の発光装置１０は、平板状の実装基板２を用いて構成しているが、実装基板２の周部にＬＥＤチップ１や波長変換部材３からの光を反射させるリフレクターを備えた実装基板２を用いて形成させてもよい。
【００４８】
次に、本実施形態の発光装置１０に用いられる波長変換部材３は、ＬＥＤチップ１が放射する光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発するものである。特に、波長変換部材３は、ＬＥＤチップ１を囲む形で配設されるキャップ状であって、上記内側面３ａが、上記キャップ状の頂上部３ｄ側で角ばっており、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１をフレネル反射させ、該フレネル反射した光Ｌ３を対向する上記内側面３ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしている。このような波長変換部材３は、たとえば、ＬＥＤチップ１からの青色系の光の一部を吸収励起されて、ブロードな黄色系の光を放射する粒子状の蛍光体と、透光性材料とを混合した混合物の成形品により構成することができる。波長変換部材３に用いられる前記透光性材料としては、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラス、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを用いることができる。
【００４９】
波長変換部材３の厚みは、発光装置１０から放射する光の目標とする色温度やＬＥＤチップ１から放射される青色光の強さによって適宜設定することができる。また、波長変換部材３の透光性材料中に含有される上記蛍光体の含有量は、該蛍光体の光取り出し効率、波長変換部材３の厚み、発光装置１０から放射された光の目標とする色温度やＬＥＤチップ１から放射される光の強さによって種々調整することができる。
【００５０】
キャップ状の波長変換部材３は、開口部の周縁となる底部３ｃを実装基板２に対して、接着剤（たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）などを用いて固定することができる。
【００５１】
また、波長変換部材３に用いられる上記蛍光体としては、たとえば、Ｃｅで付活されたＹ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｃｅで付活されたＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２などのアルミネート系の蛍光体のほか、Ｅｕで付活されたＢａ２ＳｉＯ４やＥｕで付活された（ＢａｓＳｒ1-ｓ）２ＳｉＯ４（０≦ｓ≦０．３）などの珪酸塩系の蛍光体やＣａ２ＢＯ３Ｃｌ２などのファロボレート系の蛍光体を採用することもできる。また、波長変換部材３の蛍光体は、色調整や演色性を高めるなど所望に応じ、たとえば、複数種の蛍光体を種々用いてもよい。すなわち、波長変換部材３に用いられる上記蛍光体は黄色蛍光体に限らず、たとえば、赤色蛍光体と緑色蛍光体を添加しても、白色光を得ることができる。
【００５２】
さらに、波長変換部材３には、上記蛍光体に加えてＬＥＤチップ１から放射された光を拡散させる光拡散材を含有させてもよい。上記光拡散材の材料としては、酸化アルミニウムや酸化ケイ素などを用いることができる。波長変換部材３中での上記光拡散材の含有量は、ＬＥＤチップ１から放射される光強度や波長変換部材３の厚みによって適宜に設定すればよい。キャップ状の波長変換部材３は、上記光拡散材を含有させることにより、発光装置１０から放射される光の均一性が増すと共に、波長変換部材３の頂上部３ｄが角ばっていることにより、頂上部３ｄ近傍で光散乱した光を直接波長変換部材３の内壁面３ａ側に照射させる割合を増やすことができる。
【００５３】
このような波長変換部材３は、予め設計した上記内側面３ａを形成することができる金型中に、上記蛍光体を含有させた上記透光性樹脂を射出成形などすることにより、比較的簡単に形成することができる。
【００５４】
本実施形態の発光装置１０は、ＬＥＤチップ１をサブマウント部材４を介して実装基板２に実装している。このようなサブマウント部材４は、ＬＥＤチップ１のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状などに形成され、ＬＥＤチップ１と実装基板２の放熱板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１に働く応力を緩和するために好適に用いられている。また、サブマウント部材４は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１で発生した熱を放熱板２１においてＬＥＤチップ１のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を備えることができる。
【００５５】
そのため、本実施形態の発光装置１０における実装基板２は、放熱板２１上に形成された絶縁反射層２２の中央部に、ＬＥＤチップ１がフリップチップ実装されたサブマウント部材４を配置させるための配置面を露出させる窓孔２２ａが形成されている。これにより、ＬＥＤチップ１で発生した熱が絶縁反射層２２を介さずにサブマウント部材４を介して実装基板２の放熱板２１に伝熱されるようになっている。
【００５６】
このようなサブマウント部材４の具体的材料としては、熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有する窒化アルミニウムやアルミナなどが挙げられる。サブマウント部材４として窒化アルミニウム基板を用いた場合は、絶縁性を有し、ガラスエポキシ樹脂基板などと比較して熱伝導率も高く、ＬＥＤチップ１の点灯で生じた熱を外部に効率よく放熱させることができる。
【００５７】
本実施形態の発光装置１０では、サブマウント部材４の実装基板２側に接合用金属層を設けておき、サブマウント部材４と、実装基板２とを接合用金属層を介して固着している。また、発光装置１０は、サブマウント部材４と、実装基板２とを、たとえば、ポリオレフィン系の固着シートなどの絶縁性を有するシート状の接着フィルム（図示していない）で固着することもできる。
【００５８】
なお、本実施形態の発光装置１０において、波長変換部材３の内側で、光取り出し効率を、より高めるための光学部材（たとえば、透光性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂やガラスなど）により、ＬＥＤチップ１を覆って設けても良い。
【００５９】
（実施形態２）
本実施形態の発光装置１０の基本構成は、図１に示す実施形態１の発光装置１０と略同一であり、実施形態１の発光装置１０におけるＬＥＤチップ１の代わりに、図３に示す、一主面１１ａが実装基板２側と対向配置される窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部１１と、該ＬＥＤ薄膜部１１の他主面１１ｂに結合され、波長変換部材３の頂上部３ｄ側に突出する錐体形状の酸化亜鉛基板１２とを備えたＬＥＤチップ１を用いた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００６０】
本実施形態の図３に示す発光装置１０に用いられるＬＥＤチップ１は、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部１１と、透光性および導電性を有するｎ型ＺｎＯ材料からなる酸化亜鉛基板１２と、を接合してから、酸化亜鉛基板１２をエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングにより錐体形状に加工している。
【００６１】
ここで、ＬＥＤチップ１は、薄膜状のＬＥＤ薄膜部１１が、六角錐状の錐体形状に加工された酸化亜鉛基板１２における六角形の底面に接する他主面１１ｂ側からＬＥＤ薄膜部１１における他主面１１ｂと反対側の一主面１１ａ側に向かってｐ型ＧａＮ層と該ｐ型ＧａＮ層上に設けられたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層と、該ｐ型窒化物半導体層上に設けられたＩｎＧａＮ層からなる発光層と、該発光層上に設けられたｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層とで構成している。
【００６２】
また、ＬＥＤチップ１は、酸化亜鉛基板１２における上記底面上にアノード電極（図示していない）が形成され、ＬＥＤ薄膜部１１のｎ型窒化物半導体層における酸化亜鉛基板１２側とは反対側の一主面１１ａ側にカソード電極が形成されている。ＬＥＤチップ１の上記アノード電極および上記カソード電極は、それぞれサブマウント部材４に設けられた導体パターン上の金属バンプ（図示していない）に実装されている。また、ＬＥＤチップ１は、サブマウント部材４の上記導体パターンと、金属線（図示していない）を介して実装基板２に設けられた導電パターン（図示していない）とを電気的に接続させて、発光装置１０の外部から給電可能に構成している。
【００６３】
ここで、本実施形態の発光装置１０に用いられるＬＥＤチップ１は、次の方法で形成することができる。
【００６４】
ＬＥＤチップ１は、サファイア基板の基礎となるサファイアウェハのＣ面である主表面側にＧａＮからなる低温バッファ層を介してＬＥＤ薄膜部１１となるｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層との積層構造膜をＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法により成膜する。他方、水熱合成法などにより形成させたｎ型ＺｎＯウェハをＬＥＤチップ１の酸化亜鉛基板１２の基礎として用いる。
【００６５】
次に、ＬＥＤ薄膜部１１を酸化亜鉛基板１２に形成させるため、上記サファイアウェハの前記主面側の上記積層構造膜と、上記ｎ型ＺｎＯウェハとの接合面を洗浄した後、窒素雰囲気中において６００℃に加熱し、２ＭＰａの圧力をかけて熱接合する。その後、上記サファイアウェハとｎ型ＺｎＯウェハが熱接合されたウェハから上記サファイアウェハを剥離することで、上記ｎ型ＺｎＯウェハ上にＬＥＤ薄膜部１１となる上記積層構造膜が熱接合されたウェハを形成させることができる。
【００６６】
サファイアウェハの剥離方法としては、上記サファイアウェハと上記積層構造膜との界面付近にレーザ光を照射するレーザ加工工程により、前記低温バッファ層が形成されたサファイアウェハごと上記積層構造膜を剥離する方法、或いは上記積層構造膜を上記サファイアウェハ上に選択成長法により結晶成長し、上記ｎ型ＺｎＯウェハとの熱接合後に上記積層構造膜と上記サファイアウェハとの界面近傍において選択成長時に形成したボイドを利用して上記サファイアウェハ側を剥離する方法などが挙げられる。
【００６７】
引き続き、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて上記積層構造膜を光取り出し面側において正方形状となるように上記ｎ型ＺｎＯウェハ上でパターニングを行い、ＬＥＤ薄膜部１１を形成する。その後、酸化亜鉛基板１２における上記底面上の上記アノード電極およびＬＥＤ薄膜部１１のｎ型窒化物半導体層における酸化亜鉛基板１２側とは反対側の一主面１１ａ側の上記カソード電極を形成する電極形成工程をそれぞれ行ってから、上記ｎ型ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部１１が形成された前記一表面とは反対側に所定形状（酸化亜鉛基板１２の前記他表面の形状に相当する形状）にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行う。
【００６８】
その後、塩酸系のエッチング液（たとえば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングを行うことにより、エッチング面が光を反射可能な平滑面となる六角錐状の酸化亜鉛基板１２を形成する加工工程を行う。次に、前記マスク層を除去してＬＥＤチップ１を形成することができる。
【００６９】
こうして形成されたＬＥＤチップ１は、実装基板２上に配置させる。また、波長変換部材３は、ＬＥＤチップ１の錐体形状の酸化亜鉛基板１２の上端部１２ｄ側と、波長変換部材３の頂上部１ｄ側とを略一致させて、ＬＥＤチップ１を囲む形で実装基板２上に配設させている。
【００７０】
本実施形態の発光装置１０は、ＬＥＤチップ１が、窒化物半導体のＬＥＤ薄膜部１１と、ＬＥＤ薄膜部１１の他主面１１ｂに結合され、波長変換部材３の頂上部３ｄ側に突出する錐体形状の酸化亜鉛基板１２とを備えてなることにより、平板状の酸化亜鉛基板などを備えたものと比較して、ＬＥＤチップ１から放射される光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄの光軸に対する出射角を広くすることができる。
【００７１】
そのため、ＬＥＤチップ１の上端部１２ｄの直上となる波長変換部材３の頂上部３ｄ側でＬＥＤチップ１から放射された光が集中することを抑制し、波長変換部材３の内側面３ａの略全体にＬＥＤチップ１からの光を照射され、発光装置１０の外部に放射される光の均一性を高めつつ、光取り出し効率を高めることができる。
【００７２】
特に、発光装置１０は、キャップ状の波長変換部材３を用いた場合、ＬＥＤチップ１から放射された光の波長変換などに伴い上記蛍光体などで生じる熱の放熱経路Ｔ（図３中の一点鎖線を参照）が、波長変換部材３の底部３ｃが配設された実装基板２側に伝熱するまで実質的に波長変換部材３だけとなる。そのため、発光装置１０は、波長変換部材３の頂上部３ｄでの発熱を放熱板２１側に放熱することが難しい。
【００７３】
本実施形態の発光装置１０は、ＬＥＤチップ１を特定の形状とすることにより、ＬＥＤチップ１から放射される光の光軸に対する出射角を広角度にしている。そのため、発光装置１０は、キャップ状の波長変換部材３を用いた場合であっても、ＬＥＤチップ１からの光の照射により、波長変換部材３の頂上部３ｄで生じる熱を抑制することができる。
【００７４】
すなわち、波長変換部材３では、ＬＥＤチップ１の上端部１２ｄの直上に相当する波長変換部材３の頂上部３ｄで、ＬＥＤチップ１から放射された光が集中することに伴う波長変換部材３の上記蛍光体の発熱による波長変換光率の低下を抑制することができる。
【００７５】
（実施形態３）
本実施形態の図４に示す発光装置１０の基本構成は、図１に示す実施形態１の発光装置１０と略同一であり、波長変換部材３の形状を、上記内側面３ａのうち、実装基板２側と接する底部３ｃから立ち上がる部位が実装基板２の上記一表面２ａに対して垂直とした点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００７６】
本実施形態の発光装置１０における波長変換部材３は、図４に示すように、上記内側面３ａが、キャップ状の頂上部３ｄ側で角ばっており、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄをフレネル反射させ、該フレネル反射した光Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ，Ｌ３ｃ，Ｌ３ｄを対向する上記内側面３ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしている。特に、波長変換部材３は、上記内側面３ａのうち、ＬＥＤチップ１が実装される実装基板２側と接する底部３ｃから立ち上がる部位が、実装基板２の上記一表面２ａに対して垂直としている。
【００７７】
本実施形態の発光装置１０は、実装基板２の上記一表面２ａに対して、ＬＥＤチップ１から放射された光の角度Ｑ４が小さい光Ｌ１ｄあるいは、実装基板２に対して水平方向（図４中のｘ軸を参照）に出射される光についても、波長変換部材３の上記内側面３ａからのフレネル反射した光Ｌ３ｄを対向する波長変換部材３の上記内側面３ａに直接照射することができる。また、波長変換部材３の頂上部３ｄの上記内側面３ａと、実装基板２の上記一表面２ａの法線とで形成される傾斜角α２は、上記内側面３ａのうち、実装基板２側と接する底部３ｃから立ち上がる部位が実装基板２の上記一表面２ａに対して垂直で滑らかな曲面形状であるため、実施形態１の発光装置１０に用いられた波長変換部材３の頂上部３ｄにおける上記内側面３ａの上記傾斜角α１より小さな約４５度となっている。
【００７８】
発光装置１０は、実装基板２の上記一表面２ａに設けられた導電パターン（図示していない）間に電力を供給すると、導電パターンからサブマウント部材４の導体パターン、金属バンプ（図示していない）を介してＬＥＤチップ１に電流が流れ、ＬＥＤチップ１から青色の光が放射される。ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄが波長変換部３の上記内側面３ａでフレネル反射した光Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ，Ｌ３ｃ，Ｌ３ｄが実装基板２の上記一表面２ａに対して水平方向に反射し、対向する波長変換部材３の上記内側面３ａに直接照射することができる。また、発光装置１０の波長変換部材３では、ＬＥＤチップ１からの青色の光の一部を吸収し波長変換した上記蛍光体から黄色の光が放射される。
【００７９】
特に、ＬＥＤチップ１から放射される実装基板２の上記一表面２ａに対する角度が小さい光や実装基板２の上記一表面２ａと略平行な水平方向に出射される光がフレネル反射した光についても対向する上記内側面３ａ側に直接照射させることができる。
【００８０】
したがって、発光装置１０の外部には、波長変換部材３の上記蛍光体からの黄色の光と、ＬＥＤチップ１から放出され、上記蛍光体に変換されず波長変換部材３を透過した青色の光との混色光により、均一な白色の光を光取り出し効率よく取り出すことができる。
【００８１】
（実施形態４）
本実施形態の図５に示す発光装置１０の基本構成は、図４に示す実施形態３の発光装置１０と略同一であり、波長変換部材３と、ＬＥＤチップ１との間を空洞とする代わりに、空気層６を介してＬＥＤチップ１を覆った光学部材５を備えた点が異なる。なお、実施形態３と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００８２】
本実施形態の図５に示す発光装置１０は、ＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１がサブマウント部材４を介して配置される実装基板２と、実装基板２の一表面２ａ側でＬＥＤチップ１を囲むシリコーン樹脂からなる凸状成形品（図示していない）の内側にＬＥＤチップ１および該ＬＥＤチップ１に接続された金属線（図示していない）を封止する透光性のゲル状シリコーン樹脂材料からなる封止部（図示していない）が充填された光学部材５とを備えている。また、発光装置１０は、ＬＥＤチップ１から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透光性材料とともに成形した成形品であって、空気層６を介して光学部材５の光出射面５ａを囲む形で配設されるキャップ状の波長変換部材３を備えている。ここで、波長変換部材３は、内側面３ａが凸状の光学部材５の上記光出射面５ａに略沿った形状に形成されている。また、光学部材５は、上記光出射面５ａが、キャップ状の頂上部３ｄ側で角ばっており、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１をフレネル反射させ、該フレネル反射した光Ｌ５を対向する上記光出射面５ａ側に直接照射させる方向に向かわせる曲面にしている。
【００８３】
これにより、本実施形態の発光装置１０は、実装基板２上に設けられたＬＥＤチップ１を被覆する光学部材５の頂上部５ｄに、上記光出射面５ａと、実装基板２の上記一表面２ａの法線とで形成される傾斜角β１を備えた凸形状となる光学部材５が、光学部材５よりも大きなキャップ状に形成された波長変換部材３で囲まれて実装基板２の上記一表面２ａ側に固定配置されて構成されている。
【００８４】
本実施形態の発光装置１０に用いられる光学部材５は、ＬＥＤチップ１を保護し、ＬＥＤチップ１からの光を効率よく外部に取り出すために好適に設けられたものであって、たとえば、シリコーン樹脂を採用した凸レンズ形状に形成することができる。光学部材５の材料としては、シリコーン樹脂に限られず、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やガラスなどの透光性材料を採用することもできる。たとえば、光学部材５を全てシリコーン樹脂で形成させた場合、光学部材５の屈折率を約１．４とすることができる。
【００８５】
そのため、ＬＥＤチップ１から放射された光Ｌ１が、光学部材５と空気層６との界面で全反射する臨界角より小さい入射角θ１で光学部材５の上記光出射面５ａに入射し、かつ上記光出射面５ａでの反射戻り光Ｌ５が、再び対向する光学部材５の上記光出射面５ａに直接照射する角度となるように光学部材５の形状を形成させている。すなわち、光学部材５は、ＬＥＤチップ１を覆って、光学部材５の頂上部５ｄにおける傾斜角β１を約４２度に設定して形成させた形状としている。そのため、ＬＥＤチップ１から放射され光学部材５の内部で対向する光学部材５の上記光出射面５ａ側に再入射した光Ｌ５も、臨界角以内の角度θ１とすることができる。ここで、光学部材５は、外周を空気層６を介して波長変換部材３で覆われた屈折率が約１．４となるシリコーン樹脂からなり頂上部５ｄでの傾斜角β１が４２度の形状とすると、実装基板２側に光が照射させることを抑制することができる。
【００８６】
光学部材５の外形を構成するキャップ状成形品は、略円錐状の形状であって、シリコーン樹脂を用いて形成することができる。キャップ状成形品の内側にゲル状シリコーン樹脂などの透光性樹脂部を充填して、キャップ状成形品を実装基板２に固着した後、熱硬化させることで光学部材５を形成することができる。
【００８７】
ここで、光学部材５の一部を構成するキャップ状成形品は、上記光出射面５ａが頂上部５ｄを備えて形成されており、頂上部５ｄの中心がＬＥＤチップ１の厚み方向に沿ったＬＥＤ薄膜部１１の中心線上に位置するように配置されている。なお、光学部材５の上記光出射面５ａから出射された光Ｌ４ａ，Ｌ４ｂは、空気層６を伝搬して波長変換部材３まで到達し波長変換部材３の蛍光体を励起したり上記蛍光体には衝突せずに波長変換部材３を透過することができる。
【００８８】
本実施形態の発光装置１０は、光学部材５が、シリコーン樹脂からなるキャップ状成形品の内側にゲル状のシリコーン樹脂となる透光性樹脂材料を充填し、封止している。そのため、発光装置１０は、光学部材５がＬＥＤチップ１からの光取り出し効率を高めると共に、光学部材５内で光の反射による損失が生じるのを抑制することができるから、光取り出し効率の向上を図ることができる。
【００８９】
さらに、本実施形態の発光装置１０では、空気層６を介して光学部材５に重ねて配置され、ＬＥＤチップ１から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１の発光色とは異なる色の光を放射する上記蛍光体および前記透光性材料により形成された波長変換部材３とを備えているので、ＬＥＤチップ１から放射され光学部材５を通して波長変換部材３に入射し波長変換部材３中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうち光学部材５側へ散乱されて光学部材５を透過する光の光量を低減できて発光装置１０全体としての外部への光取り出し効率をより向上できる。
【符号の説明】
【００９０】
１  ＬＥＤチップ
２  実装基板
２ａ  一表面
３  波長変換部材
３ａ  内側面
３ｃ  底部
３ｄ  頂上部
１０  発光装置
１１  ＬＥＤ薄膜部
１１ａ  一主面
１１ｂ  他主面
１２  酸化亜鉛基板
【図１】
2011151311.tif 000004
【図２】
2011151311.tif 000005
【図３】
2011151311.tif 000006
【図４】
2011151311.tif 000007
【図５】
2011151311.tif 000008
【図６】
2011151311.tif 000009