(57)【要約】【課題】  光取出し効率及び電力変換効率を改善された固体照明素子を提供する。【解決手段】  光半導体素子１１と、この光半導体素子１１の光の出射面を覆う媒体１５とを備える固体照明素子である。ここで、バルク状態における光の波長領域における屈折率が、光半導体素子１１の出射面における屈折率より高い材料からなるナノ粒子２１が、媒体１５中に含まれている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と、該光半導体素子の光の出射面を覆う媒体とを備える固体照明素子であって、
バルク状態における前記光の波長領域における屈折率が、前記光半導体素子の出射面における屈折率より高い材料からなるナノ粒子が、前記媒体中に含まれていることを特徴とする固体照明素子。
【請求項２】
前記媒体中に、前記光半導体素子の発光を長波長光に変換する蛍光体粒子が更に含まれ、分散されていることを特徴とする請求項１に記載の固体照明素子。
【請求項３】
前記媒体の表面に、前記光半導体素子の発光を長波長光に変換する蛍光体層が更に接していることを特徴とする請求項１に記載の固体照明素子。
【請求項４】
前記ナノ粒子は、前記光半導体素子の出射面から離れるに従い、濃度が減少するように、前記媒体中に含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体照明素子。
【請求項５】
前記ナノ粒子は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム化合物、砒素化ガリウム、燐化ガリウム、燐化インジウム、窒化インジウム、テルル化亜鉛からなるグループから選ばれた材料、又はこのグループから選ばれた複数の材料の混合物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体照明素子。
【請求項６】
固有の波長の光を発光する光半導体素子と、
該光半導体素子の光の出射面を覆う媒体であって、バルク状態における前記光の波長における屈折率が、前記光半導体素子の出射面における屈折率より高い材料からなる粒子であって、量子サイズ効果により前記光の波長領域における光学的吸収が抑制できる大きさに選定された粒子が含まれ、実効的な前記光の波長領域における屈折率が、前記粒子が含まれない場合より高められた媒体
とを備えることを特徴とする固体照明素子。
【請求項７】
前記媒体中に、前記光半導体素子の発光を長波長光に変換する蛍光体粒子が更に含まれ、分散されていることを特徴とする請求項６に記載の固体照明素子。
【請求項８】
前記媒体の表面に、前記光半導体素子の発光を長波長光に変換する蛍光体層が更に接していることを特徴とする請求項６に記載の固体照明素子。
【請求項９】
前記ナノ粒子は、前記光半導体素子の出射面から離れるに従い、濃度が減少するように、前記媒体中に含まれていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体照明素子。
【請求項１０】
前記ナノ粒子は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム化合物、砒素化ガリウム、燐化ガリウム、燐化インジウム、窒化インジウム、テルル化亜鉛からなるグループから選ばれた材料、又はこのグループから選ばれた複数の材料の混合物からなることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の固体照明素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源としての照明素子に係り、特に半導体発光素子を用いた固体照明素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蛍光灯や白熱電球とは異なり、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、半導体「レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子を光源として用いる「固体照明素子」の研究開発が活発化している。固体照明素子は、水銀フリー、熱線フリー、ガラスフリー、長寿命といった特徴を持ち、環境に優しい技術として大きな注目を集めている。
【０００３】
図１０は、従来の固体照明素子の模式的な断面図を示す。ＧａＮ系半導体発光素子（光半導体素子）１１１がパッケージ１１３内に配置され、樹脂からなる媒体１１５で覆われている。媒体１１５中には、ＲＧＢに各々発光する３種類の蛍光体粒子１２２が分散されている。図１０に示す構造で、光半導体素子１１１を電流駆動することで光半導体素子１１１から紫外光を発生させ、蛍光体粒子１２２が励起される。この蛍光体粒子１２２で、励起光は白色光に変換され、その光が大気に放射されて照明素子として動作する。しかしながら、図１０に示すような現状の固体照明素子は、蛍光灯と比較してまだ電力変換効率が低い。
【０００４】
このため、無機材料の微粒子をポリマーに混ぜた複合材料を媒体１１５に用いようとする試み（特許文献１及び２参照。）や、蛍光体の微粒子を用いる試み（特許文献３参照。）が提案されている。
【特許文献１】米国特許第６５９９６３１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３０２０７１２９号明細書
【特許文献３】特表２００２−５１０８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体照明素子の電力変換効率が改善されると、真に環境に優しい照明技術として幅広く普及する道が拓ける。しかしながら、特許文献１〜３に提案された技術を含め、現状の固体照明素子では、電力変換効率を向上させることが難しい。
【０００６】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、電力変換効率を改善された固体照明素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、光半導体素子と、この光半導体素子の光の出射面を覆う媒体とを備える固体照明素子に関する。即ち、第１の特徴に係る固体照明素子は、バルク状態における光の波長領域における屈折率が、光半導体素子の出射面における屈折率より高い材料からなるナノ粒子が、媒体中に含まれていることを要旨とする。
【０００８】
照明素子の性能指数の１つである電力変換効率φpower（ｌｍ／Ｗ）を指標に両者を比較すると、蛍光灯は機種にも依存するが概ね１００（ｌｍ／Ｗ）であるのに対し、固体照明素子は３０−５０（ｌｍ／Ｗ）と低い。現状の固体照明素子では、同じ電力を投入しても、蛍光灯の３分の１〜半分の明るさしか得られない。図１０の固体照明素子を例にとり、電力変換効率φpowerの支配要因と、電力変換効率の低下要因とを洗い出す。電力変換効率は式（１）のように表される。
【０００９】
φpower＝（６８３×Ｒ×λ／ｅＶ）×(φ1×φ2×φ3×φ4×φ5)    （１）
ここで、６８３は比例定数（単位ｌｍ／Ｗ）、Ｒは比視感度、λは蛍光体粒子１２２の発光波長（単位ｅＶ）、ｅは素電荷、Ｖは光半導体素子１１１の動作電圧、φ1は光半導体素子１１１の内部量子効率、φ2は光半導体素子１１１から媒体１１５への光取出し効率、φ３は蛍光体粒子１２２の励起効率、φ4は蛍光体粒子１２２の発光効率、φ5は蛍光体粒子１２２から大気への光取出し効率である。
【００１０】
式（１）の要因分析からは、光半導体素子１１１から媒体１１５への光取出し効率φ2が１０％〜３０％と小さな値を示し、この光取出し効率が電力変換効率を低下させる主要因の１つと考えられている。
【００１１】
固体照明素子において、光半導体素子から媒体への光取出し効率を向上させるには、両者の屈折率差を減らすことが有効である。現状の固体照明素子ではＧａＮ系光半導体素子の屈折率が２〜３で、樹脂からなる媒体の屈折率が１．５程度である。媒体の屈折率を光半導体素子のそれに近づけるには、媒体中に高屈折率材料を添加する方法がある。
【００１２】
代表的な高屈折率材料として、酸化チタン（ＴｉＯ2）がよく知られている。が、このＴｉＯ2でも、屈折率はＧａＮ系光半導体素子のそれとほぼ同程度でしかない。したがって、光半導体素子と媒体との屈折率差を減らすには、媒体中にＴｉＯ2をかなり高濃度に添加する必要がある。結果として、その副作用で、媒体への蛍光体粒子の分散性、成形性が悪化し、製造面で素子の歩留りが低下する問題が生じ、現状では、相応しい高屈折率化材料がなく、光取出し効率を向上させることが難しい問題がある。
【００１３】
仮に、ＴｉＯ2よりも高屈折率材料を用いることが可能ならば、媒体への添加量が減らせるために歩留り問題（分散性・成形性の悪化）が回避でき、同時に、光取出し効率も増大させることが可能になる。しかしながら、表１に示すように、屈折率が高い材料は、屈折率が高くなればなるほど、金属に近づき、禁制帯幅（Ｅg）が小さくなる傾向である。
【表１】
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【００１４】
即ち、ＴｉＯ2の屈折率ｎ＝２．８５より屈折率が高い材料は、通常用いられる光半導体素子の発光波長領域（紫外〜可視領域）では強い吸収を示し、バルクの性質（古典論的性質）としては、本質的に不透明である。したがって、このような材料を、高屈折率化材料として、そのまま固体照明素子の媒体に適用することは不可能である。
【００１５】
本発明の第１の特徴に係る固体照明素子によれば、バルク状態における屈折率の大きな半導体をナノ粒子にし、このナノ粒子を媒体中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、光半導体素子を封止する媒体の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、光半導体素子から媒体の外部への光取出し効率を増やし、電力変換効率が改善される。この結果として白色発光の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。
【００１６】
なお、光半導体素子の光の出射面を覆う媒体は、光半導体素子の半導体層に直接接していてもよく、無反射コーティング膜や保護膜等の薄膜を介して、光半導体素子の半導体層とは、間接的に接していてもよいことは勿論である。
【００１７】
本発明の第２の特徴は  固有の波長の光を発光する光半導体素子と、この光半導体素子の光の出射面を覆う媒体であって、バルク状態における光の波長における屈折率が、光半導体素子の出射面における屈折率より高い材料からなる粒子であって、量子サイズ効果により光の波長領域における光学的吸収が抑制できる大きさに選定された粒子が含まれ、実効的な光の波長領域における屈折率が、粒子が含まれない場合より高められた媒体とを備える固体照明素子であることを要旨とする。
【００１８】
本発明の第２の特徴に係る固体照明素子によれば、第１の特徴に係る固体照明素子と同様に、バルク状態における屈折率の大きな半導体をナノ粒子にし、このナノ粒子を媒体中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、光半導体素子を封止する媒体の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、光半導体素子から媒体の外部への光取出し効率及び電力変換効率を改善し、結果として白色発光の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。
【００１９】
第２の特徴に係る固体照明素子においても、光半導体素子の光の出射面を覆う媒体は、光半導体素子の半導体層に直接接していても、薄膜等を介して間接的に接していてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光取出し効率が高く、電力変換効率を改善された固体照明素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２２】
又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子は、図１に示ように、窪み部を有するパッケージ１３、パッケージ１３の窪み部の底部に配置された光半導体素子１１、パッケージ１３の窪み部の内部に収納され、且つ光半導体素子１１と接する媒体１５、媒体１５中に分散された蛍光体粒子２２、同じく媒体１５中に分散された量子力学的高屈折率化材料であるナノ粒子２１、とを備える。なお、光半導体素子１１は、図示しない電極取出し配線に電気的に接続されている。光半導体素子１１には、例えば、Ｇａ1-xＡｌxＮやＧａ1-xＩｎxＮ等の紫外発光ＬＥＤが採用可能である。媒体１５は例えば、熱硬化樹脂（エポキシ樹脂）、ＲＧＢ混合色光を作るためには、例えば、青（Ｂ）発光用には、ユーロビウム（Ｅｕ）等の希土類をドープしたＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、緑（Ｇ）発光用には、Ｅｕ等の希土類及びマンガン（Ｍｎ）をドープしたＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、赤（Ｒ）発光用にはＥｕ及びサマリウム（Ｓｍ）等の希土類をドープしたＬａ2Ｏ2Ｓ等が採用可能である。或いは、白色に光る蛍光体粒子２２として、例えば、セリウム（Ｃｅ）等の希土類をドープしたＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）や希土類をドープしたガーネット（ざくろ石）、例えばＹ３Ｇａ5Ｏ12、Ｙ（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12等の無機蛍光体粒子が採用可能である。更に、白色に光る蛍光体粒子２２として、希土類をドープしたチオ没食子酸塩、例えばＣａＧａ2Ｓ4やＳｒＧａ2Ｓ4が適している。同様に、希土類をドープしたアルミン酸塩、例えばＹＡｌＯ3、ＹＧａＯ3、Ｙ（Ａｌ，Ｇａ）Ｏ3、及び希土類をドープしたオルトケイ酸塩Ｍ2ＳｉＯ5（ＭはＹ又はＳｃを表す）、例えばＹ2ＳｉＯ5が採用可能である。すべてのイットリウム化合物においてイットリウムは原則としてスカンジウム或いはランタンによって置換することもできる。  
ナノ粒子２１は、その量子サイズ効果を利用して、光半導体素子１１から媒体１５への光取出し効率を向上させる役割を有す。即ち、「ナノ粒子２１」は、量子サイズ効果が生ずる程度の大きさ、具体的には、励起子（エキシトン）の直径と同程度以下の最大寸法を有する粒子である。ナノ粒子２１の幾何学的形状が球で近似できる場合は、直径５０ｎｍ以下のサイズを有する粒子に対し、量子サイズ効果が期待できる。平板形状等、幾何学的形状が球から逸脱した場合には、その最大寸法が、励起子（エキシトン）の直径の１０倍程度でも、量子サイズ効果が期待できる。ナノ粒子２１の幾何学的形状が球で近似できる場合において、直径１０ｎｍ以下の粒子が、より好ましい。そして、媒体１５中に導かれた光が蛍光体粒子２２を励起し、蛍光体粒子２２から所望の色を持った発光が生ずる。
【００２４】
図２は、幾何学的形状が球で近似できる場合の、ナノ粒子２１の断面構造を表した概念図である。図２に示すように、ナノ粒子２１は、コア３１と、その周囲を取り囲むシェル３２と、により構成されている。このコア３１とシェル３２とを有するナノ粒子２１は、例えば、「逆ミセル法」、「グリニャール法」などの液相合成や、「レーザ熱分解法」などの気相合成により形成できる。後でも述べるが、コア３１は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、燐化アルミニウム（ＡｌＰ）、アルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）更には、炭化珪素（ＳｉＣ）等のカーボン系半導体などの半導体から構成するのが好ましい。特に、Ｓｉ及びＧｅは屈折率が大きく、ナノ粒子化が容易なので好ましい材料である。
【００２５】
なお、上記の半導体の種々の組合せからなる混晶、即ち、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ1-xＧｅx）等の２元系化合物半導体、Ｇａ1-xＡｓxＰやＩｎ1-xＧａxＰ等の３元系化合物半導体、更には４元系化合物半導体以上の混晶でも構わない。
【００２６】
コア３１は、量子サイズ効果が生ずる程度の大ききを、その少なくとも一部に有している必要がある。具体的には、コア３１の幾何学的形状が球で近似できる場合は、励起子（エキシトン）の直径と同程度以下が好ましいので、コア３１の直径は、５０ｎｍ以下が好ましい。コア３１が、平板形状等、幾何学的形状が球から逸脱した任意の形状の場合には、その最大寸法が、励起子（エキシトン）の直径の１０倍程度でも、励起子（エキシトン）の直径と同程度の寸法をその一部に含めば、量子サイズ効果が期待できる。コア３１の幾何学的形状が球で近似できる場合は、直径１０ｎｍ以下がより好ましい。
【００２７】
一方、シェル３２は、有機分子を有し、コア３１を保護すると同時に、媒体１５への分散性を向上させる作用を有する。即ち、量子サイズ効果が生ずるような微細なナノ粒子２１は、酸素や水分に触れると極めて容易に酸化し、全体が酸化物に変質してしまうが、シェル３２を設けることにより、コア３１の酸化・変質を防ぐことができる。このため、シェル３２は単分子層程度の厚さ、即ち、０．３ｎｍ程度の厚さ以上の寸法を有すれば、コア３１の酸化・変質を防ぐ目的を達成できるが、より確実に、コア３１の酸化・変質を防止するためには、１０分子層程度の厚さが好ましい。
【００２８】
上記のナノ粒子２１は、自由正孔や自由電子などフリーキャリアを持つものとしてもよい。この場合、フリーキャリアは、コア３１を構成する半導体粒子に不純物元素をドーピングするか、シェル３２に不純物元素をドーピングするか、コア３１とシェル３２の両方に不純物をドーピングするか、又はコア３１とシェル３２との間で電荷移動を生じさせることにより発生させることができる。
【００２９】
媒体１５への分散性を高めるシェル３２の材料としては、有機化合物、有機錯体化合物などの中から、樹脂と同じ分子構造、若しくはそれと近い分子構造を有する分子材料を選択することができる。具体的には、Ｒ、Ｒ'、Ｒ"を有機基としたとき、−ＮＲ２、−ＮＲ'Ｒ、−ＮＨＲ、−ＮＨ２  、−ＣＲ"Ｒ'Ｒ、−ＣＲ'２Ｒ、−ＣＲ３、−ＣＨＲ２、−ＣＨＲ'Ｒ、−ＣＨ２Ｒ、−ＣＨ３、−Ｄ、−ＳＲ、−ＳＨ、−Ｉ、−Ｂｒ、−Ｃｌ、−Ｆ、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｒ、−ＣＮ、−ＣＯ２Ｒ、−ＣＯＮＨ２、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲ２、−ＣＯＮＲ'Ｒ、−ＳＯ3Ｒ、−ＮＯ、−ＣＨＯなどの官能基を有し、且つこの官能基とコア３１の表面の半導体原子とが、有機化合物、又は有機金属化合物によって化学的に結合された、分子材料を用いることが望ましい。
【００３０】
媒体１５は、蛍光体粒子２２の他に、このようなナノ粒子２１が分散されることで構成される。媒体１５としては、ポリマー、ブレンドポリマー、ブロックポリマー、ガラス、ゾル・ゲル、セラミックスなどのマトリクス材料から選択することができる。マトリクス中でのナノ粒子２１の体積比率は、マトリクスとナノ粒子２１の材料組合せや、光半導体素子１１の屈折率に依存するが、６７％以下に調整することが望ましい。
【００３１】
ここで、本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子において、ナノ粒子２１を構成するコア３１は、単一の構造である必要はなく、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＮ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＳｉＣ及びこれらの２種以上からなる混晶等の半導体材料の中から選ばれた複数の材料の混合物でもよい。例えば、図３に例示した如く、コア３１が、内部の第１のコア３１ａと、その外側を取り囲む第２のコア３１ｂとからなる２重構造を有するものであってもよい。具体的には、例えば、Ｓｉ1-xＧｅx化合物からなる第１のコア３１ａの周囲をＳｉからなる第２のコア３１ｂが被覆した如くである。又、更に、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＮ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＳｉＣの中から、任意の組合せで、２重、３重或いはそれ以上の多重積層構造としてもよい。
【００３２】
又、図４に例示した如く、コア３１が第１の部分のコア３３と第２の部分のコア３４とからなるものとしてもよい。具体的には例えば、Ｓｉからなる第１の部分のコア３３とＧｅからなる第２の部分のコア３４とからなる如くである。第１の部分のコア３３と第２の部分のコア３４とは、それぞれ任意の形状を有していてもよい。又、コア３１は、３つ以上の部分からなるものとしてもよい。これらの場合にも、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＮ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＳｉＣの中から、任意の組合せを選ぶことができる。
【００３３】
一方、ナノ粒子２１を構成するシェル３２の材料についても同様に、単一である必要はない。例えば、あるナノ粒子２１のシェル３２が、上述したような各種の有機材料の内のいずれか２種類以上を含むものとしてもよい。
【００３４】
更に、又、媒体１５に含まれるナノ粒子２１は、単一成分である必要はなく、上述の各種のナノ粒子２１が複数種類含まれていてもよい。例えば、互いに異なる材料からなるシェル３２を有する複数種類のナノ粒子２１が媒体１５に含まれていてもよい。又、図１に例示したような単一のコア３１を有するナノ粒子２１と、図３或いは図４に例示したような多重構造を有するナノ粒子２１とが、媒体１５中に混在していてもよい。
【００３５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子において、媒体１５にナノ粒子２１を添加することにより、光半導体素子１１から媒体１５への光取出し効率φ２が改善するメカニズムについて説明する。今、第１の実施の形態に係る固体照明素子の光取出し効率φ２と屈折率との関係を明らかにするために、光半導体素子１１と媒体１５を、図５のようにモデル化する。光半導体素子１１、媒体１５ともに界面を境に水平方向に無限の広がりを持つと仮定する。光は光半導体素子１１内部にある点Ｏで発生し、無偏向に、且つ等方的に放射するものとする。又、この光は便宜上単色光とし、光半導体素子１１と媒体１５のいずれでも吸収はゼロとする。この波長における、光半導体素子１１の屈折率をｎ１、媒体１５のそれをｎ２とすると、光半導体素子１１から媒体１５への光取出し効率φ２は次式（２）及び（３）で表される：
φ２＝（１−ｃｏｓθ）／２                       ・・・・・（２）
ここで、臨界角θは：
θ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）                ・・・・・（３）
である。式（２）及び（３）から光取出し効率φ２を見積もると、波長４０５ｎｍにおいて、ＧａＮ系光半導体素子１１の屈折率ｎ１は約２．５、エポキシ樹脂等のポリマー単体からなる媒体１５の屈折率ｎ２は約１．５〜１．６程度であるから、たったの１０％であることが分かる。式（２）より、媒体１５の屈折率ｎ２が高いほど、臨界角θは９０度に近づき、光取出し効率φ２は増加する。ｎ１＝ｎ２の極限条件では、光取出し効率φ２＝５０％となり、等方的に放射された光の内の半分、即ち、点Ｏで界面側に向かって放射した光のすべてを媒体１５側に取り出すことができる。即ち、媒体１５側の屈折率ｎ２を調整することで、最大で約５倍の効率向上が見込める。具体的には、エポキシ樹脂１５にＧｅナノ粒子２１を５０ｗｔ％混ぜると、波長４０５ｎｍにおける屈折率は約２．３に向上する。エポキシ樹脂１５にＧｅナノ粒子２１を４０ｗｔ％含んだものは２．２、エポキシ樹脂１５にＧｅナノ粒子２１を３０ｗｔ％含んだものは２．１、エポキシ樹脂１５にＧｅナノ粒子２１を１０ｗｔ％含んだものは１．８程度の値が得られる。
【００３６】
図５は光半導体素子（ＬＥＤ）１１の構造を単純化して示している。例えば、ダブルへテロ構造のＬＥＤであれば、点Ｏが存在する活性層（発光層）の上下にｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層が存在する。更に、構造によっては、ｎ型クラッド層又はｐ型クラッド層の内、活性層（発光層）の上方にある層の上に、更に電極層（上部電極層）が存在してもよい。更に場合により、電極層（上部電極層）の上に不純物密度を５ｘ１０１９ｃｍ−３〜２×１０２０ｃｍ−３にしたコンタクト層が存在してもよい。これら、活性層（発光層）、クラッド層、電極層（上部電極層）、コンタクト層等が存在する複雑な多層構造では、厳密には各層の屈折率の違いを考慮する必要があるが、１次近似としては、多層構造の最上層の半導体層の屈折率に着目すればよい。
【００３７】
一般には、高屈折率化材料の添加方法としては、高屈折率化材料を粉末加工して、媒体１５中に分散させる方法が知られているが、本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子においては、媒体１５の屈折率ｎ２は、媒体１５にナノ粒子２１からなる量子力学的高屈折率化材料を添加することで、量子サイズ効果を利用して、増大させている。通常の粉砕機による粉末加工では、粒径はμｍオーダーであり、量子サイズ効果は期待できない大きさである。量子力学的高屈折率化材料を添加した後の媒体１５の屈折率ｎ２'は、次の近似式（４）に従うとすれば、見積り可能である：
ｎ２'≒（１−α）×ｎ２＋α×ｎhigh           ・・・・・（４）
ここで、ｎhighは量子力学的高屈折率化材料の屈折率、αは量子力学的高屈折率化材料の体積比率である。一般には、高屈折率化材料としては、表１に示したＴｉＯ2がよく知られている。ＴｉＯ2は可視領域で透明であり、２．５−３．０の屈折率を有する。ＧａＮ系光半導体素子１１の屈折率が約２．５、ポリマー単体からなる媒体１５の屈折率ｎ２が約１．５であるから、ｎ１＝ｎ２'を達成するには、α＝６７％−１００％となり、ＴｉＯ2を高濃度添加しなければならない。しかしながら、媒体１５に高濃度のＴｉＯ2を添加した場合、蛍光体粒子２２を分散させることが困難になり、且つ粘性が高まるためにパッケージ１３への充填並びに成形性が悪化する。
【００３８】
式（４）より、高屈折率化材料の添加量を小さい値に抑え、同時にｎ１＝ｎ２'を達成するには、ｎhighが大きい量子力学的高屈折率化材料を用いればよい。本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子では、量子力学的高屈折率化材料の添加率は最小限に抑え、媒体１５の屈折率を増大させるために、ＴｉＯ2よりも高い屈折率を有する材料を用い、これをナノ構造化することで媒体１５に適用している。
【００３９】
即ち、第１の実施の形態に係る固体照明素子で用いる光半導体素子１１の発光波長は、紫外〜可視領域であるので、この領域で屈折率が３以上の値を示す材料としては、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＮ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＳｉＣなどが採用可能である。表１で説明したように、屈折率が高い材料は、屈折率が高くなればなるほど、金属に近づき、禁制帯幅（Ｅg）が小さくなる傾向にある。このため、バルク状態におけるこれら半導体材料は、紫外〜可視領域に極めて強い吸収を示す。
【００４０】
即ち、バルク状態、即ち古典論で記述できる幾何学的寸法の領域で、即ち、μｍオーダーの大きさに粉末化して媒体１５中に分散させた場合、光半導体素子１１からの発光は吸収され、蛍光体粒子２２が励起できなくなる。したがって、素子トータルでは、逆に電力変換効率は低下する。これら材料の高い屈折率を活かすには、量子サイズ効果により、光半導体素子１１の発光波長で吸収を無くせればよい。それには、ナノ構造化が最も有力な手法である。１個のナノ粒子２１の光学的禁制帯幅（バンドギャップ）Ｅopt（ｄ）は次式で近似できる：
Ｅopt（ｄ）＝Ｅopt（∞）＋Ｃ／ｄｍ                  ・・・・・ （５）
ここで、ｄは、ナノ粒子２１の形状を等価的な球で近似した場合の、ナノ粒子２１の直径、ｍは指数（通常１−２の値を持つ）、Ｃは定数、Ｅopt（∞）はサイズ無限大のバルク半導体における光学的禁制帯幅である。式（５）より、ナノ粒子２１のサイズが小さくなるほど、量子サイズ効果が働いて、光学的禁制帯幅Ｅopt（ｄ）は短波長側にシフトすることが分かる。
【００４１】
量子サイズ効果が生ずる程度の大きさは、冒頭で述べたように、励起子の直径程度以下、通常は、直径５０ｎｍ以下を指し、より望ましくは直径１０ｎｍ以下を指す。以上の原理説明より、高い屈折率を有するナノ粒子２１を媒体１５に添加することで、光半導体素子１１から媒体１５への光取出し効率φ２を効果的に改善できることが分かる。特に、ＴｉＯ2の屈折率ｎ＝２．８５よりも屈折率の高い種々の材料を量子力学的高屈折率化材料として用いても、これらのバルク的性質としての光学的吸収の影響を回避できる。
【００４２】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る固体照明素子によれば、バルク状態における屈折率の大きな半導体をナノ粒子２１にし、このナノ粒子２１を媒体１５中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、光半導体素子１１を封止する媒体１５の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、光半導体素子１１から媒体１５の外部への光取出し効率を増やし、結果として白色発光の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。即ち、ナノ粒子２１を媒体１５中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、実効的な屈折率が高く且つ光学的に透明な粒子が媒体１５中に等価的に添加されたことになる。
【００４３】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子の製造方法を説明する。シェル３２を有するナノ粒子２１を製造する方法の１つに、液相での化学的な合成がある。ここでは、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＣ等の半導体材料のナノ粒子２１製造に適している、グリニャール法について説明する。グリニャール法は、「コア合成工程」、「シェル化工程」、「精製工程」及び「サイズ分級工程」の４工程からなる。
【００４４】
（イ）まず、コア合成工程で、コア３１を液相合成する。Ｇｅコア３１を例に挙げると、フラスコなどに溶媒としてエチレングリコールジメチルエーテルを満たし、金属Ｍｇ粉末と塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）を投入する。室温に保ちながら、ＭｇとＧｅＣｌ４とをゆっくりとグリニャール反応させ、Ｇｅコア３１を原子レベルから徐々に核成長させる。本方法では、コアサイズは原理的に反応時間が長いほど大きく成長する。したがって、フォトルミネッセンス、光吸収、動的光散乱などでコアサイズをモニタすることで、所望のサイズにＧｅコア３１を制御することが可能になる。  
（ロ）次に、シェル化工程で、このＧｅコア３１を含む溶液に、シェル３２の原材料である反応試薬と、反応触媒を加え、グリニャール反応によってＧｅコア３１表面にシェル３２を化学的に結合する。Ｇｅコア３１表面のＧｅ−Ｃｌと反応試薬とは効率良く反応するため、Ｇｅコア３１をシェル３２で覆うことができる。なお、ここで述べる反応試薬とは、例えば、ＣｌＭｇ−（ＣＨ２）ｎ−Ｚ、Ｌｉ−（ＣＨ２）ｎ−Ｚを指す。Ｚは官能基であり、ｎは正の整数である。官能基Ｚとしては、−ＮＲ２、−ＮＲ'Ｒ、−ＮＨＲ、−ＮＨ２  、−ＣＲ"Ｒ'Ｒ、−ＣＲ'２Ｒ、−ＣＲ３、−ＣＨＲ２、−ＣＨＲ'Ｒ、−ＣＨ２Ｒ、−ＣＨ３、−Ｄ、−ＳＲ、−ＳＨ、−Ｉ、−Ｂｒ、−Ｃｌ、−Ｆ、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｒ、−ＣＮ、−ＣＯ２Ｒ、−ＣＯＮＨ２、−ＣＯＮＨＲ、−ＣＯＮＲ２、−ＣＯＮＲ'Ｒ、−ＳＯ3Ｒ、−ＮＯ、−ＣＨＯなどの分子材料が選択できる。Ｇｅコア３１表面と上記試薬が反応すると、Ｇｅ−（ＣＨ２）ｎ−Ｚとなる。Ｒ"、Ｒ'、Ｒは有機基である。
【００４５】
（ハ）次に、精製工程で、溶液の中から、不純物（未反応の試薬、副生成物など）を精製除去すれば、有機溶媒中に単分散したＧｅナノ粒子２１が得られる。  
（ニ）そして、サイズ分級工程において、サイズ分級を行う。分級方法は幾つかあるが、例えば、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を用いて、サイズごとにカラム分離することができる。サイズが小さいほどカラム中を進む速度は遅くなる。したがって、カラム出口に設けた溶液検出器（発光、光吸収、屈折率など）をモニタすることで、サイズを分級することができる。
【００４６】
例えば、Ｇｅナノ粒子２１を、平均サイズ４−５ｎｍとなるように、サイズ分級を行う。グリニャール法により得られるＧｅナノ粒子２１は、サイズ均一性に優れているが、この平均サイズは、電子顕微鏡観察等で確認すればよい。
【００４７】
（ホ）次に、サイズ分級されたＧｅナノ粒子２１を所定の濃度となるように、熱硬化樹脂１５に添加し、分散させる。熱硬化樹脂１５としては、例えば、エポキシ樹脂が使用できる。更に、
ＲＧＢに発光する３種類の無機蛍光体粒子２２として、例えば、青（Ｂ）色発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、：Ｅｕ、緑（Ｇ）発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ：Ｍｎ、赤（Ｒ）発光用にＬａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ：Ｓｍを用意する。そして、Ｇｅナノ粒子２１が添加・分散した熱硬化樹脂１５に、蛍光体粒子２２を所定の濃度となるように、添加し、分散させる。例えば、エポキシ樹脂１５に、Ｇｅナノ粒子２１を４０ｗｔ％、蛍光体粒子２２を２０ｗｔ％添加・分散する。
【００４８】
（ヘ）一方、光半導体素子１１を、図１に示すパッケージ１３の窪み部の底部にマウントする。マウント後、図示しない電極取出し配線に、光半導体素子１１のｐ側電極（アノード電極）とｎ側電極（カソード電極）を、それぞれ、ボンディングワイヤ等で電気的に接続する。そしてＧｅナノ粒子２１と蛍光体粒子２２を添加・分散させたエポキシ樹脂１５を滴下法により、パッケージ１３の窪み部に充填する。充填後、加熱し硬化させることで、白色発光の固体照明素子が完成する。
【００４９】
上記のグリニャール法において、コア合成工程〜シェル化工程は、大気成分、特に水と酸素（Ｏ2）を嫌う。これは半導体コア３１が容易に酸化するためである。このため、コア合成工程〜シェル化工程はすべて乾燥アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で反応させることが望ましい。
【００５０】
上記の固体照明素子の製造方法において、ナノ粒子２１は、グリニャール法以外にも、トリ−ｎ−オクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）法や複交換反応法などの液相合成や、レーザ熱分解法、プラズマ法などの気相合成によって、半導体コア３１を製造することにより実現可能である。気相合成の場合も、液相合成同様、コア３１表面を所望の有機分子、若しくは有機錯体分子のシェル３２で終端して、ナノ粒子２１を製造することができる。
【００５１】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る固体照明素子の製造方法によれば、ナノ粒子２１を、４０ｗｔ％程度以下の比較的少量、媒体１５に添加することで効果的に媒体１５の実効的な屈折率を高めることができる。このため、成形性悪化による歩留り低下等の製造面での副作用を伴わず、高輝度の白色固体照明素子が実現でき、産業上のメリットは多大である。
【００５２】
＜第１の実施の形態の実施例＞  
図６に示すように、本発明の第１の実施の形態の実施例に係る固体照明素子は、窪み部を有するパッケージ１３、パッケージ１３の窪み部の側壁を覆う反射層１７、パッケージ１３の窪み部の底部に配置された光半導体素子１１、窪み部の内部に収納され且つ光半導体素子１１と接する媒体１５、媒体１５中に分散された蛍光体粒子２２、同じく媒体１５中に分散された量子力学的高屈折率化材料であるナノ粒子２１、とを備える。光半導体素子１１には、波長４０５ｎｍに発光ピークを持つ紫外発光ＧａＮ系ＬＥＤを用いている。媒体１５は熱硬化樹脂（エポキシ樹脂）、蛍光体粒子２２にはＲＧＢに発光する３種類の無機蛍光体粒子２２、即ち、青（Ｂ）色発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、：Ｅｕ、緑（Ｇ）発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ：Ｍｎ、赤（Ｒ）発光用にＬａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ：Ｓｍを用いている。量子力学的高屈折率化材料としては、グリニャール法により液相合成した、平均サイズは４−５ｎｍのＧｅナノ粒子２１を用いた。２０ｍＡ、３．５Ｖで光半導体素子１１を駆動し、白色光の出力と電力変換効率を調べたところ、出力として１．８ｃｄ、電力変換効率として８０ｌｍ／Ｗの値がそれぞれ得られた。
【００５３】
図６において、媒体１５が量子力学的高屈折率化材料のＧｅナノ粒子２１を含まない点を除けば、他は同一構造の固体照明素子を比較例として形成した。この比較例において、２０ｍＡ、３．５Ｖで光半導体素子１１を駆動し、白色光の出力と電力変換効率を調べたところ、出力として０．７ｃｄ、電力変換効率として３０ｌｍ／Ｗの値がそれぞれ得られた。
【００５４】
第１実施の形態の実施例に係る固体照明素子と比較して、この比較例の固体照明素子の輝度は、約１／３の出力である。比較例の固体照明素子は、Ｇｅナノ粒子２１を含まないために媒体１５の屈折率ｎ２が減り、光半導体素子１１から媒体１５への光取出し効率が減少していることが分かる。以上の結果から、量子力学的高屈折率化材料として、Ｇｅナノ粒子２１を媒体１５に添加することは、光半導体素子１１からの媒体１５への光取出し効率φ２を高め、固体照明素子の出力向上、即ち電力変換効率増大に大変有効であることが分かる。
【００５５】
（第２の実施の形態）  
図７に示す本発明の第２の実施の形態に係る固体照明素子は、可視光の固体照明素子であり、媒体１５に蛍光体粒子２２を含まない点が第１の実施の形態に係る固体照明素子とは異なる点である。
【００５６】
光半導体素子１２の発光波長は、第１の実施の形態に係る固体照明素子の光半導体素子１１の発光波長とは異なり、波長５３０ｎｍに発光ピークを持つ可視光（緑色）のＬＥＤである。可視光（緑色）のＬＥＤは、例えばＩｎ1-xＧａxＮ系ＬＥＤが採用可能である。媒体１５にエポキシ樹脂を用い、量子力学的高屈折率化材料には、平均サイズは４−５ｎｍのＧｅナノ粒子２１を用いている点等、他の構造は第１の実施の形態に係る固体照明素子と同様であり、重複した説明を省略する。
【００５７】
第２の実施の形態に係る固体照明素子によれば、量子力学的高屈折率化材料として、Ｇｅナノ粒子２１を媒体１５に添加することにより、可視光の光半導体素子１２からの媒体１５への光取出し効率φ２が高まり、可視光の固体照明素子の出力が向上し、且つ可視光の電力変換効率が増大する。具体的には、２０ｍＡ、３．５Ｖで可視光の光半導体素子１２を駆動した場合、可視光（緑色）の出力として３．５ｃｄ、電力変換効率として１６０ｌｍ／Ｗ程度が得られ、従来よりも大変高い値である。
【００５８】
このように、第２の実施の形態に係る固体照明素子によれば、ＴｉＯ2の屈折率ｎ＝２．８５よりも屈折率の高い材料を量子力学的高屈折率化材料として用いても、これらのバルク的性質としての光学的吸収の影響を回避できる。即ち、バルク状態における屈折率の大きな半導体を光学的に透明なナノ粒子２１にし、このナノ粒子２１を媒体１５中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、可視光の光半導体素子１２を封止する媒体１５の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、光半導体素子１１から媒体１５の外部への光取出し効率を増やし、結果として可視光の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。
【００５９】
第２の実施の形態に係る固体照明素子は、例えば、
（イ）可視光の光半導体素子１２を第１の実施の形態と同様に、パッケージ１３の窪み部の底部にマウントし；
（ロ）マウント後、図示しない電極取出し配線に、光半導体素子１２のｐ側電極（アノード電極）とｎ側電極（カソード電極）を、それぞれ、ボンディングワイヤ等で電気的に接続し；
（ハ）この光半導体素子１２に、Ｇｅナノ粒子２１を５０ｗｔ％添加・分散させたエポキシ樹脂１５を準備し、滴下法により、パッケージ１３の窪み部に充填し；
（ニ）その後、エポキシ樹脂１５を加熱し、硬化させる、
ことにより、簡単に製造できる。
【００６０】
なお、可視光の光半導体素子１２のｐ側電極（アノード電極）又はｎ側電極（カソード電極）が、光半導体素子１２の裏面にある対向電極型の構造であれば、この裏面にある電極を半田や導電性接着剤等で電極取出し配線の一方に接続すればよく、残る他方の電極のみをボンディングワイヤ等で、電極取出し配線の他方に電気的に接続すればよい。
【００６１】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る固体照明素子の製造方法によれば、ナノ粒子２１を、５０ｗｔ％程度以下の比較的少量、媒体１５に添加することで効果的に媒体１５の実効的な屈折率を高めることができる。このため、成形性悪化による歩留り低下等の製造面での副作用を伴わず、電力変換効率が高く且つ高輝度の可視光固体照明素子が簡単に製造実現できる。  
（第３の実施の形態）  
本発明の第３の実施の形態に係る固体照明素子は、図８に示すように、蛍光体層２３と媒体１５とが分離している。この点を除けば、他は第１の実施の形態に係る固体照明素子と、基本的に同様の構造である。
【００６２】
光半導体素子１１には、例えば、波長４０５ｎｍに発光ピークを持つ紫外発光ＧａＮ系ＬＥＤ等が使用可能である。媒体１５と量子力学的高屈折率化材料としてのナノ粒子２１は、ともに第１及び第２の実施の形態に用いたものと同様な材料を用いることが可能である。蛍光体層２３は、ＲＧＢに発光する３種類の無機蛍光体粒子、例えば：
青（Ｂ）色発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17、：Ｅｕ、
緑（Ｇ）発光用にＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ：Ｍｎ、
赤（Ｒ）発光用にＬａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ：Ｓｍ
を含む。
【００６３】
第３の実施の形態に係る固体照明素子によれば、量子力学的高屈折率化材料として、Ｇｅナノ粒子２１を媒体１５に添加して媒体１５の屈折率ｎ＝２．３程度にしているので、光半導体素子１１からの媒体１５への 紫外光の光取出し効率φ２が高まり、蛍光体層２３に対する紫外光の励起効率が高い。又、蛍光体層２３の発光効率を高くできるので、白色の発光出力が向上し、且つ白色への電力変換効率が増大する。
【００６４】
このように、第３の実施の形態に係る固体照明素子によれば、バルク状態における屈折率の大きな半導体をナノ粒子２１にし、このナノ粒子２１を媒体１５中に、量子力学的高屈折率化材料として添加することで、光半導体素子１１を封止する媒体１５の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、光半導体素子１１から媒体１５の外部への光取出し効率を増やし、結果として白色の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。  
第３の実施の形態に係る固体照明素子は、例えば、以下のようにして製造可能である：
（イ）まず、ＲＧＢに発光する３種類の無機蛍光体粒子を焼き固め、１枚のセラミックス板形状に加工して蛍光体層２３を用意する。この蛍光体層２３は、更に、パッケージ１３の窪み部の内径に嵌合する大きさに切り出す；
（ロ）一方、紫外光ＬＥＤ（光半導体素子）１１を第１及び第２の実施の形態と同様に、パッケージ１３の窪み部の底部にマウントする；
（ハ）マウント後、図示しない電極取出し配線に、光半導体素子１１のｐ側電極（アノード電極）とｎ側電極（カソード電極）を、それぞれ、ボンディングワイヤ等で電気的に接続する；
（ニ）この光半導体素子１２に、Ｇｅナノ粒子２１を５０ｗｔ％添加・分散させた第１のエポキシ樹脂を、滴下法により、パッケージ１３の窪み部に充填し、加熱し、硬化させ媒体１５を形成する；
（ホ）最後に、蛍光体層２３であるセラミックス板を、媒体１５の上に熱圧着させることで、白色発光の固体照明素子が完成する。
【００６５】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る固体照明素子の製造方法によれば、ナノ粒子２１を、５０ｗｔ％程度以下の比較的少量、媒体１５に添加することで、効果的に媒体１５の実効的な屈折率を高めることができる。このため、成形性悪化による歩留り低下等の製造面での副作用を伴わず、電力変換効率が高く且つ高輝度の白色発光の固体照明素子が簡単に製造実現できる。
【００６６】
（第４の実施の形態）  
本発明の第４の実施の形態に係る固体照明素子は、図９に示すように、３層構造の媒体１５を用いている点が、第３の実施の形態に係る固体照明素子とは異なる点である。即ち、光半導体素子１１の屈折率に近い屈折率を有する第１媒体１５ａが、光半導体素子１１に直接接して、光半導体素子１１の周囲を被覆している。そして、第１媒体１５ａの上部に、第１媒体１５ａよりも屈折率が小さい第２媒体１５ｂが配置されている。この第２媒体１５ｂの上部に、第２媒体１５ｂよりも屈折率が小さい第３媒体１５ｃが配置されている。
【００６７】
本発明の第４の実施の形態に係る固体照明素子では、光半導体素子１１から蛍光体層２３に向けて屈折率が段階的に減るよう、第１媒体１５ａ、第２媒体１５ｂ及び第３媒体１５ｃの３層構造を用いているので、光を効率良く光半導体素子１１から取出し、且つ効率良く蛍光体層２３に導くことが可能である。
【００６８】
光半導体素子１１の屈折率ｎ＝２．５であるが、第１媒体１５ａを、Ｇｅナノ粒子２１を５０ｗｔ％含んだエポキシ樹脂とすることにより、屈折率ｎ＝２．３程度にすることができる。又、第２媒体１５ｂを、Ｇｅナノ粒子２１を３０ｗｔ％含んだエポキシ樹脂とすることにより、屈折率ｎ＝２．１程度にすることができ、第３媒体１５ｃを、Ｇｅナノ粒子２１を１０ｗｔ％含んだエポキシ樹脂とすることにより、屈折率ｎ＝１．８程度にすることができる。蛍光体層２３の屈折率ｎ＝１．７であり、第３媒体１５ｃの屈折率ｎは、蛍光体層２３の屈折率ｎに近い値になる。このように、第４の実施の形態に係る固体照明素子では、媒体１５を、第１媒体１５ａ、第２媒体１５ｂ及び第３媒体１５ｃの３層構造で構成し、媒体１５内でのＧｅナノ粒子２１の濃度を変化させることで屈折率分布を設けている。
【００６９】
２０ｍＡ、３．５Ｖで光半導体素子１１を駆動し、白色光の出力と電力変換効率を調べたところ、出力として２．４ｃｄ、電力変換効率として１０８ｌｍ／Ｗと大変高い値が得られた。このように、第４の実施の形態に係る固体照明素子によれば、量子力学的高屈折率化材料（Ｇｅナノ粒子）２１を媒体１５に濃度が段階的に変化するように添加し、固体照明素子の出力を向上させ、電力変換効率を増大させている。
【００７０】
このように、第４の実施の形態に係る固体照明素子によれば、バルク状態における屈折率の大きな半導体をナノ粒子２１にし、このナノ粒子２１を、第１媒体１５ａ、第２媒体１５ｂ及び第３媒体１５ｃの３層構造に添加することで、光半導体素子１１を封止する第１媒体１５ａ、第２媒体１５ｂ及び第３媒体１５ｃの３層構造の屈折率プロファイルを光学的吸収を増加させずに制御できる。このため、光半導体素子１１から３層構造からなる媒体１５の外部への光取出し効率を増やし、結果として白色の固体照明素子の光出力を増大させることが可能になる。
【００７１】
第４の実施の形態に係る固体照明素子は、例えば、以下のようにして製造可能である：
（イ）まず、Ｇｅナノ粒子２１の添加量が５０ｗｔ％、３０ｗｔ％、１０ｗｔ％と異なる第１、第２、第３のエポキシ樹脂１５を準備する；
（ロ）一方、紫外光ＬＥＤ（光半導体素子）１１を第１〜第３の実施の形態と同様に、パッケージ１３の窪み部の底部にマウントする；
（ハ）マウント後、図示しない電極取出し配線に、光半導体素子１１のｐ側電極（アノード電極）とｎ側電極（カソード電極）を、それぞれ、ボンディングワイヤ等で電気的に接続する；
（ニ）この光半導体素子１１に、Ｇｅナノ粒子２１を５０ｗｔ％添加・分散させた第１のエポキシ樹脂を、滴下法により、パッケージ１３の窪み部に充填し、加熱し、硬化させ第１媒体１５ａを形成する；
（ホ）滴下法により、第１媒体１５ａ上に、Ｇｅナノ粒子２１を３０ｗｔ％添加・分散させた第２のエポキシ樹脂１５を充填し、加熱し、硬化させ第２媒体１５ｂを形成する；
（ヘ）滴下法により、第２媒体１５ｂ上に、Ｇｅナノ粒子２１を１０ｗｔ％添加・分散させた第３のエポキシ樹脂１５を、充填し、加熱し、硬化させ第３媒体１５ｃを形成する；
（ト）最後に、蛍光体層２３であるセラミックス板を、第３媒体１５ｃの上に熱圧着させることで、白色発光の固体照明素子が完成する。
【００７２】
以上説明したように、第４の実施の形態に係る固体照明素子の製造方法によれば、ナノ粒子２１を、５０ｗｔ％程度以下の比較的少量に制御して、第１媒体１５ａ、第２媒体１５ｂ及び第３媒体１５ｃの３層構造にそれぞれ添加することで効果的に３層構造からなる媒体１５の実効的な屈折率プロファイルを制御できる。このため、成形性悪化による歩留り低下等の製造面での副作用を伴わず、電力変換効率が高く、且つ高輝度の白色発光の固体照明素子が簡単に製造実現できる。
【００７３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７４】
既に述べた第１〜第４の実施の形態の説明においては、窪み部を有するパッケージ１３、の内部に媒体１５が、収納された構造の場合について説明したが、光半導体素子１１、１２を砲弾型に樹脂モールドした構造でも構わない。
【００７５】
第２の実施の形態の説明においては、可視光のＬＥＤとして、緑色のＩｎ1-xＧａxＮ系ＬＥＤについて例示したが、青のＬＥＤとしてＩｎ1-xＧａxＮを用い、Ｇａの組成ｘを選ぶことにより、波長λB＝４４５〜５００ｎｍ（或いは４４５〜４８０ｎｍ）程度にしてもよい。或いは、Ｉｎｘ  Ａｌｙ  Ｇａ１−ｘ−ｙ  Ｎ等の４元系以上の混晶で、種々の波長の青のＬＥＤを構成してもよい。更に、黄色のＬＥＤとしてＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰを用い、Ａｌの組成ｘ、Ｇａの組成ｙを選ぶことにより、波長λY＝５６０〜５９０ｎｍ程度とし、赤色のＬＥＤとしては波長λＲ＝６２５ｎｍのＡｌｘＧａｙＡｓ１−ｘ−ｙＰ等を用いる等、種々の可視光のＬＥＤに対して適用可能である。ＡｌｘＧａｙＡｓ１−ｘ−ｙＰのＬＥＤは、本来的に（内部量子効率として）極めて高輝度であるので、ＡｌｘＧａｙＡｓ１−ｘ−ｙＰのＬＥＤを封止する媒体１５の実効的な屈折率を光学的吸収を増加させずに増大し、これにより、ＡｌｘＧａｙＡｓ１−ｘ−ｙＰのＬＥＤから媒体１５の外部への光取出し効率を増やせば、極めて明るい赤色の固体照明素子が実現できる。
【００７６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体照明素子を概略的に表す断面図である。
【図２】ナノ粒子２１の断面構造を表した概念図である。
【図３】２重構造のコア３１を有するナノ粒子２１を表す概念図である。
【図４】他構造のコア３１を有するナノ粒子２１を表す概念図である。
【図５】屈折率と光取出し効率の関係を説明するための、光半導体素子１１と媒体１５とをモデル化した図である。
【図６】第１の実施の形態の実施例に係る固体照明素子を概略的に表す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る固体照明素子を概略的に表す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る固体照明素子を概略的に表す断面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態の変形例に係る固体照明素子を概略的に表す断面図である。
【図１０】一般的な固体照明素子の構成を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１，１２…光半導体素子
１３…パッケージ
１５…媒体
１５ａ…第１媒体
１５ｂ…第２媒体
１５ｃ…第３媒体
１７…反射層
２１…ナノ粒子
２２…蛍光体粒子
２３…蛍光体層
３１…コア
３１ａ…第１のコア
３１ｂ…第２のコア
３２…シェル
３３…第１の部分のコア
３４…第２の部分のコア
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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