(57)【要約】【課題】光取り出し効率が改善された、蛍光体による波長変換型半導体発光装置を提供する。【解決手段】第１凹部を有する外囲器と、前記第１凹部の底面に設けられた半導体発光素子と、前記第１凹部の内側面に沿って設けられ、前記半導体発光素子からの放射光を波長変換する蛍光体が分散された蛍光体分散層と、前記半導体発光素子と前記蛍光体分散層を封止する封止樹脂と、を備え、前記封止樹脂の表面において、前記半導体発光素子の上に第２凹部が設けられたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。【選択図】図１
2008060411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１凹部を有する外囲器と、
前記第１凹部の底面に設けられた半導体発光素子と、
前記第１凹部の内側面に沿って設けられ、前記半導体発光素子からの放射光を波長変換する蛍光体が分散された蛍光体分散層と、
前記半導体発光素子と前記蛍光体分散層を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記封止樹脂の表面において、前記半導体発光素子の上に第２凹部が設けられたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
第１リードと、
第２リードと、
前記第１リードと前記第２リードとをそれぞれ固定し、第１凹部を有する外囲器と、
前記第１凹部の底に露出した前記第１リード上に接着された半導体発光素子と、
前記第１凹部の底に露出した前記第２リードと前記半導体発光素子とを電気的に接続するボンディングワイヤと、
前記第１凹部の内側面に沿って設けられ、前記半導体発光素子からの放射光を波長変換する蛍光体が分散された蛍光体分散層と、
前記半導体発光素子と前記ボンディングワイヤと前記蛍光体分散層を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記封止樹脂の表面において、前記半導体発光素子の上に第２凹部が設けられたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
前記第２凹部は、前記半導体発光素子から上方に放出された前記放射光を前記封止樹脂の表面において実質的に全反射させるように前記半導体発光素子の直上において深く、且つ周囲に向けて浅くなるように形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第２凹部の表面の形状は、実質的に放物面であることを特徴とする請求項1〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第２凹部の表面の形状は、実質的に円錐面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記蛍光体分散層は、前記半導体発光素子から放出された前記放射光が前記内側面に至るまでにほぼその全てが前記蛍光体により吸収されるようにその厚みと蛍光体の密度とが決定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記内側面は、光を反射するリフレクタとして作用し、
前記蛍光体分散層は、前記半導体発光素子から放出された前記放射光が前記蛍光体分散層を通過して前記内側面に至り前記内側面において反射されて前記蛍光体分散層を通過し前記蛍光体分散層と前記封止樹脂との界面に至るまでにほぼその全てが前記蛍光体により吸収されるようにその厚みと蛍光体の密度とが決定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム系半導体からなる発光層を有し、
前記蛍光体は、前記放射光を吸収して互いに異なる波長の光を放出する複数種類の蛍光体を含み、
前記蛍光体により波長変換された光の混合により白色光が得られることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、蛍光体による波長変換型の半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体などを用いた短波長発光型の半導体発光素子と蛍光体との組み合わせによる半導体発光装置は、その応用分野を飛躍的に拡大させている。例えば、液晶ディスプレイのバックライト、照明光源などには、紫外光から青色光の波長帯を放射する窒化ガリウム系半導体発光素子と、適正に選択された蛍光体との組み合わせにより得られる白色光が用いられる。
【０００３】
このような液晶ディスプレイや照明光源用途においては、高密度実装を行うために表面実装型（ＳＭＤ：Suraface Mounting Device）の半導体発光装置が好ましい。この表面実装型半導体発光装置に適用可能であり、より高い光度を得るための技術開示例がある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、半導体発光素子からの励起光が蛍光体層を通過する際に蛍光体に吸収され、励起されてより長波長の光を放射する構造においては、半導体発光素子の近傍の蛍光体層で多くの励起光が吸収される。このように波長変換された光は、半導体発光素子からみてより遠方の蛍光体層において再び吸収されてしまうため、光取り出し効率の低下を生じる問題があった。
【特許文献１】特開２００１−１４８５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、光取り出し効率が改善された、蛍光体による波長変換型の半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１凹部を有する外囲器と、前記第１凹部の底面に設けられた半導体発光素子と、前記第１凹部の内側面に沿って設けられ、前記半導体発光素子からの放射光を波長変換する蛍光体が分散された蛍光体分散層と、前記半導体発光素子と前記蛍光体分散層を封止する封止樹脂と、を備え、前記封止樹脂の表面において、前記半導体発光素子の上に第２凹部が設けられたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、第１リードと、第２リードと、前記第１リードと前記第２リードとをそれぞれ固定し、第１凹部を有する外囲器と、前記第１凹部の底に露出した前記第１リード上に接着された半導体発光素子と、前記第１凹部の底に露出した前記第２リードと前記半導体発光素子とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第１凹部の内側面に沿って設けられ、前記半導体発光素子からの放射光を波長変換する蛍光体が分散された蛍光体分散層と、前記半導体発光素子と前記ボンディングワイヤと前記蛍光体分散層を封止する封止樹脂と、を備え、前記封止樹脂の表面において、前記半導体発光素子の上に第２凹部が設けられたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、光取り出し効率が改善された、蛍光体による波長変換型半導体発光装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の第１具体例にかかる半導体発光装置の模式断面図である。  
半導体発光素子１０は、第１のリード１２の上に、導電性接着剤１１などによって接着されている。半導体発光素子１０の上面に設けられた上部電極（図示せず）と第２リード１４とは、ボンディングワイヤ１３で接続されている。第１リード及び第２リードは、樹脂ベース１６に埋め込まれており、さらに上方に向けて拡開した第１凹部４０を有する外囲器１８が設けられている。外囲器１８は、例えば、樹脂などにより形成できる。
【００１０】
外囲器１８に設けられた第１凹部４０の内側面４２は、光を反射させるリフレクタとして作用する。そして、この内側面４２に沿って、蛍光体分散層２０が所定の厚みで設けられている。蛍光体分散層２０は、蛍光体を分散させた樹脂などからなる。  
そして、第１凹部４０内に配置された半導体発光素子１０、ボンディングワイヤ１３、蛍光体分散層２０は、透光性を有する封止樹脂３２により封止されている。封止樹脂３２としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが用いられる。半導体発光素子１０から放出される発光５０の波長が紫外線領域のように短い場合、エポキシ樹脂を用いると変色などが生ずることがあり、この点からは、シリコーン樹脂を用いたほうが有利である。なお、本具体例の半導体発光装置は、いわゆる表面実装型（ＳＭＤ：Surface Mounting Device）半導体発光装置と呼ばれ、液晶ディスプレイや照明用光源用途などにおける高密度実装に適している。
【００１１】
封止樹脂３２は、半導体発光素子１０のほぼ中心軸上に第２凹部（「へこみ」）を有していること。第２凹部４５は、上方に向けて拡開した形状であることが望ましい。即ち、第２凹部４５は、半導体発光素子１０のほぼ中心軸上でもっとも深く、中心軸を含む垂直断面における第２凹部４５の幅Ｗは、半導体発光素子１０から離れるに従って広がるものとすることができる。図１に例示した第２凹部４５は、例えば放物線のような上方に凸である曲線を半導体発光素子１０のほぼ中心軸の周りに回転して得られる回転体構造を有する封止樹脂表面４４により形成される。
【００１２】
このような第２凹部４５を設けることにより、半導体発光素子１０からの放射光５０のうちで上方に向かう光の多くは、封止樹脂３２と空気との屈折率差により全反射され、図１に矢印で表したように蛍光体分散層２０へと向かう。
【００１３】
図２は、全反射を説明するための部分拡大模式図である。  
ここで、封止樹脂３２の屈折率を１．５とし、外部は空気とする。臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ−１（空気屈折率／封止樹脂屈折率）＝ｓｉｎ−１（１／１．５）＝４２°となる。
【００１４】
入射角が４２°である臨界角光線５１は、Ｒ点における接線ＢＢ‘と一致する方向へ進む。
【００１５】
本図において、Ｒ点における封止樹脂表面４４の断面内接線ＢＢ‘と直交する法線をＡＡ’とする。法線ＡＡ‘となす角度が、臨界角θｃ以上であると、光はＲ点において全反射されて外部へは放射されない。従って、封止樹脂表面４４の曲面形状は、半導体発光素子放射光５０が封止樹脂表面４４で可能な限り多く全反射されるように形成することが望ましい。また、封止樹脂表面４４の断面は、曲線ではなく、例えば折れ線状であっても良い。なお、半導体発光素子１０から放射された光のうちで、封止樹脂表面４４で反射されずに、直接蛍光体分散層２０へ向かう半導体発光素子放射光５０も多く存在する。
【００１６】
ここで、蛍光体による波長変換に関してより詳細に説明する。  
紫外光〜青色光を吸収した蛍光体は、励起状態となり蛍光体組成により決まった波長光を放射する。蛍光体からの放射光は、一般に励起光（紫外光〜青色光）より長い波長を有する。すなわち、蛍光体による波長変換が行われていることになる。
【００１７】
紫外光〜青色光の範囲の励起光を放射するためには、「窒化ガリウム系半導体」からなる発光層を有する発光素子を用いることが望ましい。ここで、本願明細書において、「窒化ガリウム系半導体」とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）なる組成式で表される化合物半導体を意味する。この組成式で表される半導体層を積み重ねることにより、ダブルへテロ接合を形成し、紫外光〜青色光の波長帯の放射光を得ることができる。
【００１８】
第１具体例においては、励起光として窒化ガリウム系発光素子１０からの約４２０ナノメータの波長を有する紫外光を用いる。この紫外光を吸収し、励起により、紫外光より長波長である赤色光（波長約６５０ナノメータ）、青色光（波長約４７０ナノメータ）、緑色光（波長約５３０ナノメータ）を放射させる蛍光体としては、セリウム（Ｃｅ）で付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体などの公知の蛍光体を一例として挙げることができる。この発光スペクトルのピークは、５３０ナノメータ付近にあり、７００ナノメータまでの広範囲な発光スペクトルを有する。
【００１９】
このイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体においては、アルミニウム（Ａｌ），ガーネット（Ｇａ），イットリウム（Ｙ）及びガドリニウム（Ｇｄ），ランタン（Ｌａ），サマリウム（Ｓｍ）の組成比を選択することにより、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）の波長成分を変化させることができる。
【００２０】
次に、本具体例による白色光を生じる作用について説明する。  
図３は、図１におけるＡ領域３０の部分拡大模式断面図である。  
外囲器１８の第１凹部４０の内側面４２に、蛍光体分散層２０が設けられている。蛍光体分散層２０は、樹脂などの中に、赤色蛍光体２２、緑色蛍光体２４、青色蛍光体２６が分散された構造を有し、内側面４２の上で所定の厚みＴを有するように形成されている。
【００２１】
半導体発光素子からの放射光５０は、蛍光体分散層２０中の赤色蛍光体２２に吸収され、励起されて赤色光５２を放出する。同様に、緑色蛍光体２４は緑色光５４を、青色蛍光体２６は青色光５６を放出する。このようにして発光された赤色光５２と、緑色光５４と、青色光５６との混合により、半導体発光装置６０から白色光５８が得られる。  
そして、本実施形態においては、蛍光体分散層２０の表面近くで半導体発光素子放射光５０の多くが吸収され、波長変換がされるようにする。このようにすると、波長変換された光が他の蛍光体により再吸収されて、取り出される光が低減するという問題を抑制できる。
【００２２】
すなわち、蛍光体分散層２０の厚みＴ及び蛍光体含有量は、半導体発光素子放射光５０が内側面４２に到達する前に大部分が蛍光体に吸収されるように設定することが望ましい。このようにすると、蛍光体分散層２０における半導体発光素子放射光５０の光損失を低減できる。  
さらに、内側面４２の表面に、例えば金属膜などを設けて高反射率のリフレクタとすることができる。または、外囲器１８の代わりに、同様の形状を有する金属製の成形体を設けてもよい。この場合、一対のリード１２、１４が電気的にショートしないように、これらリード１２、１４と金属製の成形体との間を絶縁できる構造または部材を適宜設ければよい。
【００２３】
この場合、内側面４２からの反射光が蛍光体分散層２０の表面に戻ってきたときに、半導体発光素子放射光５０が蛍光体にほぼ吸収されるように、厚みＴ及び蛍光体含有量を決定することが好ましい。
【００２４】
次に、比較例について説明する。  
図４は、比較例の半導体発光装置の模式断面図である。  
なお、同図については、図１に関して前述した要素の同様のものには、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。  
本比較例においては、蛍光体２２、２４、２６は、透光性の封止樹脂３２の全体に分散配置されている。
【００２５】
本比較例の場合、半導体発光素子からの放射光５０の多くは、半導体発光素子１０の直上の近傍であるＢ領域（破線）において蛍光体に吸収される。この結果、波長変換された赤色光５２、緑色光５４、青色光５６、が通過したＢ領域よりも上の部分においては、半導体発光素子からの放射光５０（すなわち、励起光）の強度は低下する。そして、波長変換された光が、蛍光体に再吸収される確率が高まる。この結果、波長変換された赤色光５２、緑色光５４、青色光５６の強度も低下し、混合色である白色光５８の強度も低下する。言い換えると、光取り出し効率が低下する。
【００２６】
これに対して、第１の具体例においては、波長変換された光が蛍光体において再吸収されることを抑制できる。この結果、高い光取り出し効率が実現できる。なお、封止樹脂３２には、蛍光体を混合しない具体例について説明した。しかし、波長変換光を再吸収しない程度に蛍光体を低濃度に分散させれば、全体としては光取り出し効率および指向特性を改善できる。
【００２７】
次に、第１具体例における指向特性について説明する。  
図５は、第１の具体例にかかる半導体発光装置６０の指向特性を概念的に例示したグラフ図である。  半導体発光装置６０の一点鎖線Ｃ−Ｃ‘における断面に沿って、垂直面内における光度の相対値を測定した。軸上光度の５０％となる角度（半値全角）は約１３０度であり、液晶ディスプレイのバックライトや照明用光源としての仕様を満たすことができる。なお、内側面４２の傾斜角度や、第２凹部４５の形状により、図５に例示したような各種の指向特性の制御が可能である。
【００２８】
図６は、第１具体例の変形例を表す模式断面図である。  
同図についても、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。  
本変形例においては、蛍光体分散層２０が、内側面４２上のみならず、第１凹部４０の底面を構成する樹脂ベース１６、第１リード１２、第２リード１４の上にも配置されている。半導体発光素子１０が上方向のみならず、横方向、下方向にも光を放射する構造を有している場合には、本変形例を用いて、より光取り出し効率を改善できる。
【００２９】
図７は、本発明の第２具体例にかかる半導体発光装置６０の模式断面図である。  
同図についても、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。  
本具体例における第２凹部４５は、断面が直線状とされている。すなわち、円錐状の第２凹部（すなわち、「へこみ」）が設けられている。
【００３０】
本具体例においても、半導体発光素子放射光５０のうち、封止樹脂表面４４におけるＱ点において臨界角θｃより大きい入射角を有する光は全反射したのち、蛍光体分散層２０へと向かう。蛍光体分散層２０における作用は、図３に関して前述したものとほぼ同様である。円錐状の第２凹部であっても、傾斜を適正に選択することにより効率よい蛍光体吸収、励起が可能である。  
また、このように、第２凹部４５の形状を適宜調整することにより、半導体発光素子１０からの発光の一部を封止樹脂表面４４において全反射させずに、直接、外部に取り出すことができる。この時、後に詳述するように、半導体発光素子１０からの放出光を青色の波長帯の光とし、蛍光体分散層２０に黄色光を発光する蛍光体を分散させると、白色光が得られる。つまり、半導体発光素子１０から直接外部に取り出された青色光と、蛍光体分散層２０において波長変換された黄色光と、の混合により白色光が得られる。この場合も、蛍光体分散層２０を内側面４２において所定の厚みで形成することにより、波長変換された黄色光が蛍光体などに再吸収されて光取り出し効率が低下する問題を抑制できる。
【００３１】
図８は、本発明の第３具体例にかかる半導体発光装置の模式断面図である。  
同図についても、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。  
本具体例においては、内側面４３の断面形状が、放物線状とされている。このようにすると、第１凹部４０の底面付近において光を有効に上方向に向けることができるので、指向特性の制御と光取り出し効率の改善が容易になる。なお、放物線の代わりに、折れ線状断面であっても同様の効果を生じる。
【００３２】
以上、第１乃至第３具体例においては、窒化ガリウム系半導体発光素子１０から放射される紫外光と、この光を吸収し励起された蛍光体からの波長変換光とを合成することにより白色光を得る場合について説明した。しかし、本発明はこれには限定されない。
【００３３】
例えば、窒化ガリウム系半導体発光素子から放射される波長４７０ナノメータ前後の青色光を用いることもできる。この場合、例えば、青色光を吸収し、黄色光を放射する蛍光体として珪酸塩蛍光体を用いることができる。珪酸塩蛍光体は、（Ｍｅ１−ｙＥｕｙ）２ＳｉＯ４（Ｍｅは、Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇから選ばれる少なくとも一つのアルカリ土類金属元素）で表される。
【００３４】
半導体発光素子１０から放射される青色光と、黄色蛍光体により波長変換された黄色光の合成によっても白色光が得られる。さらに、赤の演色性を改善するために、窒化物蛍光体により波長変換された赤色光を加えることにより赤色演色性が改善された、いわゆる「電球色」の白色光が得られる。このような黄色蛍光体と、赤色蛍光体とを分散させた蛍光体分散層２０を用いることによっても、第１乃至第３の具体例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
さらに、本発明は、放射光として白色光に限定されることはない。半導体発光素子放射光５０と、蛍光体による波長変換光とを用いて波長が４００〜７００ナノメータの範囲である可視光を得る半導体発光装置に対して広く応用することができる。
【００３６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
【００３７】
半導体発光装置を構成する半導体発光素子、リード、樹脂、蛍光体、凹部などの各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１具体例にかかる半導体発光装置を表す模式断面図である。
【図２】第１具体例における封止樹脂と空気の界面における全反射を説明する模式図である。
【図３】第１具体例における蛍光体分散層の部分拡大断面図である。
【図４】比較例にかかる半導体発光装置を表す模式断面図である。
【図５】第１具体例にかかる半導体発光装置の指向特性を表すグラフ図である。
【図６】第１具体例の変形例である半導体発光装置を表す模式図である。
【図７】本発明の第２実施例にかかる半導体発光装置を表す模式断面図である。
【図８】本発明の第３具体例にかかる半導体発光装置を表す模式断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  半導体発光素子、１２  第１リード、１３  ボンディングワイヤ、  １４  第２リード、  １６  樹脂ベース、  １８  外囲器、  ２０  蛍光体分散層、  ２２  赤色蛍光体、  ２４  緑色蛍光体、  ２６  青色蛍光体、  ３０  Ａ領域、  ３２  封止樹脂、  ４０  第１凹部、  ４１  Ｂ領域、  ４２  内側面、  ４４  封止樹脂表面、  ４５  第２凹部、  ５０  半導体発光素子放射光、  ５１  臨界角光線、  ５２  赤色光、  ５４  緑色光、  ５６  青色光、  ５８  白色光、  ６０  半導体発光装置
【図１】
2008060411.tif 000003
【図２】
2008060411.tif 000004
【図３】
2008060411.tif 000005
【図４】
2008060411.tif 000006
【図５】
2008060411.tif 000007
【図６】
2008060411.tif 000008
【図７】
2008060411.tif 000009
【図８】
2008060411.tif 000010