(57)【要約】【課題】簡単な構造で発光素子の投射光の強弱の方向性による色むらの発生が抑制できる発光半導体デバイスを提供する。【解決手段】円錐台形の凹面を有するパッケージ２の底面中央に発光素子３が配置され、円錐台形の凹面には、発光素子３からの光の反射を目的として側面反射蛍光体層４が配置されている。側面反射蛍光体層４では発光素子３から放出された低発光域１２の光が、白色に変換して反射されて外部に射出される。パッケージ２の円錐台形の内面は光透過性材料６で封止されており、光透過性材料６の発光素子３に対向する上面の、強発光域１１に含まれる部分には上面透過蛍光体層５が形成されている。上面透過蛍光体層５では発光素子３から放出された強発光域１１の可視光や紫外線が吸収され、内部で反射を繰り返した後に白色に変換して外部に放射される。【選択図】図１
2008205170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
すり鉢状の凹部を有するパッケージと、
前記凹部の中央に配置された発光素子と、
前記パッケージの前記発光素子を囲む傾斜面に設けられた蛍光体層を有する側面側反射部材と、
前記側面側反射部材の傾斜面に囲まれた内側に、前記発光素子に対向して設けられた透光性蛍光体層と、を備えたことを特徴とする発光半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の発光半導体デバイスにおいて、
前記側面側反射部材の前記傾斜面に囲まれた内部には、前記発光素子を封止する光透過部材が設けられている、発光半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発光半導体デバイスにおいて、
前記蛍光体層と前記透光性蛍光体層とは、前記発光素子から発光された色光の一部または全部を吸収して該色光とは異なる波長の色光を発する蛍光体が含まれた層である、発光半導体デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の発光半導体デバイスにおいて、
前記発光素子が青色発光素子であり、前記蛍光体は黄色の発光をする蛍光体であり、該発光半導体デバイスの発光が白色である、発光半導体デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の発光半導体デバイスにおいて、
前記青色発光素子は青色発光ダイオードである、発光半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光半導体デバイスに関し、特に青色発光ダイオード（ＬＥＤ）と黄色の発光をする蛍光体との組み合わせによる補色で白色光を得る発光半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蛍光体を含有した透明樹脂により青色発光素子を封止して、青色発光素子が発する青色光と、青色光が入射した蛍光体が発する黄色系励起光とを混合することによって白色光とする白色光源がある。このような構造の白色光源では、青色発光素子と蛍光体とによる吸収が大きく、白色光の出射効率が低かった。青色発光素子が発した光のうち、相当部分は蛍光体で反射され青色発光素子に戻るが、青色発光素子内では屈折率が高いため再度外部へ出射されにくいため、吸収される比率が大きい。また、蛍光体層に入光した光の相当部分は蛍光体層内で吸収されるので、蛍光体層を通って外部に放射される白色光の出射効率は低い。
【０００３】
現在でも、白色に発光する半導体デバイスの主流は、青色ＬＥＤと黄色く発光する蛍光体との組み合わせによる補色によって、白色光を得る方式である。
【０００４】
発光素子と蛍光体とを組み合わせるための手段としては、
１）ダイシングされた発光素子の表面へ蛍光体を直接塗布する方法、
２）ダイボンディングされた発光素子の周囲に蛍光体を分散させた樹脂を充填する方法、
３）発光素子と離れた位置に蛍光体を分散させたシートを配置する方法、
等がある。
【０００５】
特許文献１（特開２００３−１２４５２１）には、基板上のＬＥＤチップを囲んで中央に孔が形成された反射ケースが設けられ、孔には透光性樹脂が充填され、反射ケースおよび透光性樹脂には蛍光剤が混入されたケース付き半導体発光装置が開示されている。
【０００６】
特許文献２（特開２００３−２９８１１７）には、基板の外周部分に内周に高反射率の反射面が形成された側面側反射部材が固定され、その内部には透光性エポキシ樹脂が封止され、透光性エポキシ樹脂の発光素子の発光面と対向する中心部分には蛍光体混入樹脂が塗布された反射面を有する対向反射鏡が配置された発光ダイオードが開示されている。
【０００７】
特許文献３（特開２００６−４９８１４）には、基体上の発光素子を囲んで内部に円形の反射面を持つ２段の反射部材が設けられ、発光素子の上部には波長変換層が設けられた発光装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１２４５２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２９８１１７号公報
【特許文献３】特開２００６−０４９８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発光素子には一般に投光方向により光強度に強弱があるという問題点がある。図３は、発光半導体デバイスにおける発光域の強弱を模式的に示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【０００９】
発光半導体デバイス１では、円錐台形の凹面を有するパッケージ２と、パッケージ２の中央に配置された発光素子３と、パッケージ２の開口部に設けられた上面透過蛍光体層５を有し、発光素子３には不図示の導体あるいは導線が接続されている。
【００１０】
発光半導体デバイス１では、発光素子３が図３（ｂ）に示すように、中央部において前面からの発光が強い分布を示す素子の場合、強発光域１１では発光素子３からの青色が上面透過蛍光体層５をそのまま透過してしまって青色に近い色となり、低発光域１２では本来得たい白色となり、中央と周囲で色が分離してしまって色ムラが発生するという不具合を生じていた。
【００１１】
特許文献１〜３も図２と類似の構造を有しているが、このような色むら発生に対応する方法についての記載はない。
【００１２】
本発明の目的は、簡単な構造で発光素子の投射光の強弱の方向性による色むらの発生が抑制できる発光半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の発光半導体デバイスは、
すり鉢状の凹部を有するパッケージと、凹部の中央に配置された発光素子と、パッケージの発光素子を囲む傾斜面に設けられた蛍光体層を有する側面側反射部材と、側面側反射部材の傾斜面に囲まれた内側に、発光素子に対向して設けられた透光性蛍光体層と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
側面側反射部材の傾斜面に囲まれた内部には、発光素子を封止する光透過部材が設けられていてもよく、蛍光体層と透光性蛍光体層とは、発光素子から発光された色光の一部または全部を吸収してその色光とは異なる波長の色光を発する蛍光体が含まれた層であってもよく、発光素子が青色発光素子であり、蛍光体は黄色の発光をする蛍光体であり、発光半導体デバイスの発光が白色であってもよく、青色発光素子は青色発光ダイオードであってもよい。
【００１５】
発光素子の強発光域には減衰の大きい透光性蛍光体層を用い、低発光域には減衰の少ない反射型蛍光体層を用いたので色むらのない波長変換光を効率よく出光することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、発光素子の強発光域には減衰の大きい透光性蛍光体層を用い、低発光域には減衰の少ない反射型蛍光体層を用いたので色むらのない波長変換光を出光することができるという効果がある。また、発光素子として使用する蛍光体を効率よく使用できるので、光出力の増大を図ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の発光半導体デバイスの模式的断面図であり、図２は本発明の実施の形態の発光半導体デバイスの模式的斜視図である。図中符号１は発光半導体デバイス、２はパッケージ、３は発光素子、４は側面反射蛍光体層、５は上面透過蛍光体層、６は光透過性材料、１１は強発光域、１２は低発光域、２１は第１の発光域、２２は第２の発光域である。
【００１８】
蛍光体に励起光を照射し、波長変換により可視光を得る際に、励起源と観察者との間に蛍光体層を設ける「透過」を利用する方法と、励起源と観察者が共に蛍光体層の面を向く「反射」を用いる方法がある。
【００１９】
発光素子から放出された励起光が蛍光体層を通過する「透過」のメカニズムにおいては、蛍光体粒子間の隙間を、反射を繰り返しながら通過する光と、蛍光体粒子の内部を透過する光がある。これらの光は反射を繰り返すことにより減衰し、また透過する際にも減衰が起きる。このため、透過の場合における蛍光体による励起光の波長変換は減衰が大きい。
【００２０】
一方、「反射」では反射を繰り返したり透過させたりすることがないため効率のよい波長変換が可能となる。
【００２１】
本発明では、「透過」と「反射」のこの効率差を利用する。蛍光体層を励起光が通過する際の発光強度分布を２分類し、強度が強い強発光域１１では「透過」、強度が弱い低発光域１２では「反射」を用いることにより、問題となる色ムラを軽減する。
【００２２】
図１に示すように、すり鉢型（円錐台形）の凹面を有するパッケージ２の底面中央に発光素子３が配置されている。ここではパッケージ２は一体に形成されたものとしているが、発光素子３が中央に取り付けられる基板部上に中央部に円錐台形の空間がある側壁部が接合されたものであってもよい。また、円錐台形の空間に変えて角錐台形の空間とし出射口の形状が長方形となってもよい。
【００２３】
発光素子３は、ここでは青色発光素子であり、通常青色発光ダイオードが用いられる。発光素子３には電力を供給する不図示のリードが接続されている。
【００２４】
パッケージ２の円錐台形の内部は光透過性材料６で封止されている。光透過性材料６としては通常透明エポキシ樹脂が用いられる。上面透過蛍光体層５が発光素子３と対向する位置に保持できれば必ずしも光透過性材料６は設けなくてもよい。
【００２５】
光透過性材料６の発光素子３に対向する上面の、強発光域１１に含まれる部分には上面透過蛍光体層５が形成されている。上面透過蛍光体層５は透明性部材に黄色発色蛍光体を含有させ熱硬化させて板状に成形したものが通常使用されるが、光透過性材料６の上面に黄色発色蛍光体を含有させて形成してもよい。上面透過蛍光体層５では、発光素子３から放出された発光波長である可視光や紫外線を吸収し、内部で反射を繰り返した後に所望の色光、ここでは白色に変換して外部に放射する。
【００２６】
一方、パッケージ２の円錐台形の凹面には、発光素子３からの光の反射を目的として透明性部材に黄色発色蛍光体を含有させた側面反射蛍光体層４が配置されている。側面反射蛍光体層４では発光素子３から放出された低発光域１２の発光波長である可視光や紫外線を、所望の光、ここでは白色に変換して反射させる。変換された光は上面透過蛍光体層５の外側の光透過性材料６を通過して外部に射出され、上面透過蛍光体層５に入射した光も内部で反射されながらその多くが外部に射出される。
【００２７】
このように、強発光域１１から変換された第１の発光域２１の光は、上面透過蛍光体層５で反射を繰り返すことにより減衰して出射されるので、蛍光体による励起光の波長変換は減衰が大きく、発光素子３からの青色が上面透過蛍光体層５をそのまま透過してしまって青色に近い色になることはなく目的の白色で出射される。また、低発光域１２から変換された第２の発光域２２の光も、反射を繰り返したり透過させたりすることがないため効率よく波長変換されて目的の白色で出射される。
【００２８】
各蛍光体層の厚さや蛍光体の配合比を調整することによって、上面透過蛍光体層５を利用した第１の発光域２１と、側面反射蛍光体層４を利用した第２の発光域２２のバランスを取ることができ、色ムラのない発光半導体デバイス１が実現される。
【００２９】
この実施の形態では、白色を得るために「青色発光ダイオードと黄色発色蛍光体」の組み合わせを用いることで説明したが、この組み合わせに限定されるものではなく白色の得られる発光体と発色蛍光体の組み合わせであればよい。
【００３０】
白色の得られる発光体と発色蛍光体の組み合わせとしては、例えば、「青色発光ダイオードと黄色発色蛍光体＋赤色発色蛍光体」の組み合わせ、「青色発光ダイオードと緑色発色蛍光体＋橙色発色蛍光体」の組み合わせ、「近紫外発光ダイオードと青色発色蛍光体＋緑色発色蛍光体＋赤色発色蛍光体」の組み合わせ、「近紫外発光ダイオードと青色発色蛍光体＋緑色発色蛍光体＋橙色発色蛍光体」の組み合わせなどのように、発光ダイオードと複数の蛍光体を使用して白色を得る方法がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の発光半導体デバイスの模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の発光半導体デバイスの模式的斜視図である。
【図３】発光半導体デバイスにおける発光域の強弱を模式的に示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    発光半導体デバイス
２    パッケージ
３    発光素子
４    側面反射蛍光体層
５    上面透過蛍光体層
６    光透過性材料
１１    強発光域
１２    低発光域
２１    第１の発光域
２２    第２の発光域
【図１】
2008205170.tif 000003
【図２】
2008205170.tif 000004
【図３】
2008205170.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月24日(2007.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
従来、蛍光体を含有した透明樹脂により青色発光素子を封止して、青色発光素子が発する青色光と、青色光が入射した蛍光体が発する黄色系発光光とを混合することによって白色光とする白色光源がある。このような構造の白色光源では、青色発光素子と蛍光体とによる吸収が大きく、白色光の出射効率が低かった。青色発光素子が発した光のうち、相当部分は蛍光体で反射され青色発光素子に戻るが、青色発光素子内では屈折率が高いため再度外部へ出射されにくいため、吸収される比率が大きい。また、蛍光体層に入射した光の相当部分は蛍光体層内で吸収されるので、蛍光体層を通って外部に放射される白色光の出射効率は低い。