(57)【要約】【課題】  半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍光体から発せられる光の色とが合成された色が得られる発光装置において、電流変化や温度変化による光の色の変動が少ない発光装置を提供する。【解決手段】  ＧａＮを主体として青色の光を発する半導体発光素子に蛍光層を設け、蛍光層にＹＡＧ蛍光体である蛍光粒子２１を設ける。前記青色の光と蛍光粒子２１から発せられる黄色の光との合成で白色光が得られる。蛍光層を構成する蛍光粒子５の外周にはシリカなどの微粒子２２が付着し、粒子間に空気層２３が形成されている。この空気層２３が断熱層として機能し、周囲温度が高くなったときの蛍光粒子２１の温度上昇を抑制できる。よって、蛍光粒子２１の発光効率が変動しにくくなり、発光色が変化するのを抑制できる。【選択図】図５
2007266283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う蛍光層と、を有する発光装置において、
前記蛍光層は、前記半導体発光素子から発せられる光で発光する蛍光粒子と、前記蛍光粒子の外部に複数個付着した透明な微粒子とを有し、前記蛍光粒子と微粒子との隙間および微粒子間の隙間に空気層が形成されていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記空気層の空間距離が１００ｎｍ以下である請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光粒子が凝集している請求項１または２記載の発光装置。
【請求項４】
前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および前記微粒子とで構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的エネルギーが加えられた分子間結合力で結合されている請求項１ないし４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
前記半導体発光素子は青色の光を発し、前記蛍光粒子は黄色の光を発光する請求項１ないし５のいずれかに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子と、この半導体発光素子から発せられる光で発光する蛍光粒子とを備えた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色系の光を発することを目的とした白色ＬＥＤと称される発光装置は、青色ＬＥＤチップと黄色の光を発する蛍光体とが組み合わされて構成されている。
【０００３】
前記青色ＬＥＤチップは、ＧａＮ（窒化ガリウム）を主体としたｐｎ結合の化学半導体で形成されて、順方向電流が与えられることにより、例えば波長が５６０ｎｍ以下の青色系の光を発する。前記蛍光体は青色ＬＥＤチップから発せられる波長の光を励起光として、黄色の光を発するものであり、一般にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体が使用される。
【０００４】
白色ＬＥＤは、補色の関係にある青色の光と黄色の光とが合成されることにより白色系の光を発する。この白色ＬＥＤは、蛍光灯に比べて消費電力を３０％ほど低減できるのみならず、蛍光灯のように水銀を使用していないため、環境適応性にも優れている。よって、白色ＬＥＤは、各種表示装置のバックライトや、簡易照明器具などに採用されつつある。
【特許文献１】特開２００５−４１９４１号公報
【特許文献２】特開２００５−４１９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記ＹＡＧ蛍光体は、青色ＬＥＤチップから発せられた光を吸収し、その光で励起されて黄色の光を発するものであるが、蛍光作用による発光効率は、使用環境温度によって左右され、特に１００℃付近またはそれ以上の環境温度になると、発光効率が大幅に低下する。一方、白色ＬＥＤは発光量の高出力化が望まれているため、青色ＬＥＤチップに与えられる電力が大きくなる傾向にある。そのため、青色ＬＥＤチップが発光しているときの温度が高くなり、ＹＡＧ蛍光体の発光効率が低下しやすくなる。ＹＡＧ蛍光体の発光効率が低下すると、青色ＬＥＤチップから発せられる光の量とＹＡＧ蛍光体で発光する光の量とのバランスが崩れ、白色ＬＥＤから発せられる光の波長が青色側に向かってシフトしやすくなる。その結果、例えば表示装置のバックライトとして使用しているときに、表示装置で表現しようとする色のバランスが崩れることになる。
【０００６】
さらに、ＹＡＧ発光体が高温になり、その発光効率が低下し、青色ＬＥＤチップから発せられる青色の成分が多くなると、ＹＡＧ蛍光体で発せられる色と合成された後の光の色温度が高くなって、白色ＬＥＤから、青みがかった冷たく感じられる光が発せられるようになり、例えば照明器具として使用しずらいものとなる。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、使用環境温度が上昇したときの蛍光体の発光効率の低下を抑制して、半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍光体から発せられる光の色とが合成された発光色の大きな変化を抑制できるようにした発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う蛍光層と、を有する発光装置において、
前記蛍光層は、前記半導体発光素子から発せられる光で発光する蛍光粒子と、前記蛍光粒子の外部に複数個付着した透明な微粒子とを有し、前記蛍光粒子と微粒子との隙間および微粒子間の隙間に空気層が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の発光装置は、蛍光粒子の外側に複数の微粒子が付着して、蛍光粒子の周囲に複数の空気層（好ましくは完全に封止された閉空間の空気層）が形成されている。前記空気層が断熱層として機能することにより、使用環境温度が上昇しても、蛍光粒子の温度上昇を抑制でき、蛍光粒子の発光効率の低下を抑制できる。そのため、半導体発光素子から発せられる光の色と、蛍光粒子から発せられる光の色とが合成された発光色の変動を抑制できるようになる。
【００１０】
好ましくは、前記空気層の空間距離が１００ｎｍ以下である。大気圧下の窒素の平均自由行程は１００ｎｍ程度またはそれよりもわずかに短いため、空気層の空間距離を前記平均自由行程よりも短くしておくことにより、前記空気層の断熱効果を高めることができる。また、前記空気層の空間距離は８０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１１】
また、前記蛍光層の少なくとも一部では、外部に前記微粒子が付着した前記蛍光粒子が凝集していることが好ましい。
【００１２】
複数の蛍光粒子を凝集させておくことにより、蛍光粒子への温度伝達効率が低下するようになり、使用環境温度が上昇したときに、個々の蛍光粒子の温度上昇をさらに抑制しやすくなる。
【００１３】
また、本発明は、例えば前記蛍光層は、透明な合成樹脂と、前記蛍光粒子および前記微粒子とで構成されている。前記合成樹脂は、エポキシ樹脂、ポリアリルアミン（ＰＡＡ）、シリコーン樹脂などである。
【００１４】
また、本発明は、前記蛍光粒子と前記微粒子、および前記微粒子どうしは、機械的エネルギーが加えられた分子間結合力で結合されているものである。
【００１５】
例えば、本発明は、前記半導体発光素子は青色の光を発し、前記蛍光粒子は黄色の光を発光するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発光装置は、使用環境温度が高くなっても、発光色のバランスが崩れにくい。また、使用環境温度が高くなっても、出射される光の色温度が高くなるのを抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の実施の形態の発光装置１を示す拡大断面図、図２は、前記発光装置１に搭載されている半導体発光素子１０の拡大断面図である。
【００１８】
発光装置１には、チップ状の半導体発光素子１０を有している。半導体発光素子１０は、薄膜プロセスで形成されている。図２に示すように、この半導体発光素子１０は、サファイア基板１１の表面に薄く形成されたＧａＮ（窒化ガリウム）のバッファー層（図示せず）を有し、このバッファー層の上に、ｎ型コンタクト層１２が形成されている。ｎ型コンタクト層１２は、Ｓｉ（珪素）がドープされたＧａＮ層であり、その厚さは４μｍ程度である。ｎ型コンタクト層１２の上には、ｎ型クラッド層１３が密着して形成されている。ｎ型クラッド層１３は、ＡｌＧａＮで形成され、または、ＡｌＧａＮとＳｉをドープしたｎ型ＧａＮとで形成されており、その厚さは１．０μｍ程度である。
【００１９】
ｎ型クラッド層１３の表面には活性層１４が密着して形成されている。この活性層１４は、ｎ型ＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム・窒素）で形成され、または、Ｓｉをドープしたｎ型ＩＮＧａＮとＩｎＧａＮとの積層膜で形成され、全体の膜厚は、４００オングストローム程度である。活性層１４の表面にはｐ型クラッド層１５が密着して形成されている。ｐ型クラッド層１５は、ＡｌＧａＮ（アルミニウム・ガリウム・窒素）で形成され、またはＡｌＧａＮとＧａＮとで形成されており、その厚みは０．５μｍ程度である。さらに、ｐ型クラッド層１５の表面に、ｐ型コンタクト層が形成されている（図示省略）。
【００２０】
半導体発光素子１０の側方には、ｎ型コンタクト層１２の一部が露出しており、この前記ｎ型コンタクト層１２の露出部の表面に、ｎ電極１６が形成されている。また、前記ｐ型コンタクト層の表面には、発光領域を避けた位置に、ｐ電極１７が形成されている。ｎ電極１６およびｐ電極１７は、Ｎｉ／Ａｇ（ニッケルと金の積層体）により形成される。
【００２１】
この半導体発光素子１０は、ｐ電極１７に正の電位が与えられ、ｐｎ接合の半導体発光素子１０に順電流が与えられると、ｎ型クラッド層１３のマイナスの電荷である自由電子と、ｐ型クラッド層１５の自由正孔とが活性層１４において再結合し、そのときのエネルギーで発光する。ＧａＮを主体とする半導体発光素子１０から発せられる光の波長は５３０ｎｍ以下であり、緑色から青色の帯域さらには紫外線の帯域までの光を発することができるが、この実施の形態では、波長が１６０〜４７０ｎｍの青色の光を発する。
【００２２】
なお、半導体発光素子として、ｐ型クラッド層の表面、またはｐ型クラッド層を覆うｐ型コンタクト層の表面に、ｐ型電極としてＩＴＯなどの透明電極が形成されていてもよい。
【００２３】
図１に示す発光装置１は、パッケージ基板２の表面に放熱部材３が設けられている。この放熱部材３は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている。チップ状の前記半導体発光素子１０は、この放熱部材３の表面に設置されて接着されている。放熱部材３および半導体発光素子１０は、パッケージ材４で覆われている。このパッケージ材４は、耐熱性が高く且つ電気的に絶縁材料であり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成されている。パッケージ基板２の表面からパッケージ材４の内部には一対のリード端子５と６が形成されている。一方のリード端子５と、半導体発光素子１０のｎ電極１６とがワイヤボンディング７で接続され、他方のリード端子６と、半導体発光素子１０のｐ電極１７とがワイヤボンディング８で接続されている。
【００２４】
パッケージ材４はリフレクタを兼用しており、その表面は反射面４ａとされている。この反射面４ａは、発光方向に向かってその開口面積が徐々に広くなるように形成されている。
【００２５】
そして、前記反射面４ａ上に、半導体発光素子１０を覆う蛍光層２０が設けられている。
【００２６】
蛍光層２０は、エポキシ樹脂やポリアリルアミン（ＰＡＡ）またはシリコーン樹脂などの透明な合成樹脂材料に蛍光粒子２１が混入されて構成されている。図３に示すように、蛍光粒子２１は複数個が凝集した凝集体を構成しており、この凝集体が、前記合成樹脂材料内に複数混入されている。なお、前記合成樹脂材料内には、一部の蛍光粒子２１が単独で存在しているものであってもよい。
【００２７】
蛍光粒子２１は、半導体発光素子１０から発せられる光を吸収し、吸収した光で内部分子が励起されて、吸収した光と異なる波長の光を発する。この実施の形態では、蛍光粒子２１が、ＹＡＧ蛍光体（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）であり、半導体発光素子１０から発せられた光に励起されて、黄色の光を発する。蛍光粒子２１の平均粒径は、５〜２０μｍ程度である。
【００２８】
図３と図４に示すように、個々の蛍光粒子２１の外部には、複数の透明な微粒子２２が付着している。透明な微粒子２２は、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミサファイアなどであり、平均粒径は、２００ｎｍ以下で５０ｎｍ以上である。微粒子２２は、蛍光粒子２１の外周に複数層に重ねられて付着している。微粒子２２と蛍光粒子２１との接合、および微粒子２２どうしの接合は、メカニカルボンディング、あるいはメカニカル・ケミカルボンディングである。メカニカルボンディングは、例えば、多数の蛍光粒子２１と多数の微粒子２２とを混合し、摩擦力を与えながら攪拌することで、蛍光粒子２１と微粒子２２、および微粒子２２どうしを分子間結合力で結合させるものである。メカニカル・ケミカルボンディングは、多数の蛍光粒子２１と多数の微粒子２２に摩擦力を与えることに加え、プラズマエネルギーを与えて、蛍光粒子２１と微粒子２２、および微粒子２２どうしを分子間結合力で結合させるものである。
【００２９】
図５は、蛍光粒子２１と微粒子２２との結合部を拡大して模式的に示している。
蛍光粒子２１の外部に多数の微粒子２２が付着している結果、蛍光粒子２１と微粒子２２との隙間、および微粒子２２どうしの隙間内に、複数の空気層２３が形成されている。この複数の空気層２３は断熱層として機能し、外部温度が上昇したときに、蛍光粒子２１の温度が上昇するのを抑制できる。空気層２３が断熱層として機能するためには、ほとんどの空気層２３が周囲を閉鎖された閉鎖空間内に形成されていることが好ましい。ここで、大気圧下（１気圧下）における窒素分子の平均自由行程は、１００ｎｍあるいはそれよりもやや短い程度である。したがって、１つの空気層２３の最大空間距離δｍａｘが、１００ｎｍ以下であると、空気層２３内での熱の伝播を低下させることができ、空気層２３の断熱効果を高くできる。また、全ての空気層２３の数に対する、前記最大空間距離δｍａｘが１００ｎｍ以下の空気層２３の占める割合が５０％以上であることが好ましく８０％以上であることがさらに好ましい。さらに、５０％以上または８０％以上を占める空気層２３の最大空間距離δｍａｘが８０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
透明な合成樹脂材料内に図３に示す蛍光粒子２１および微粒子２２が混入された混合流体が、図１に示す半導体発光素子１０および反射面４ａ上に供給された後に、加熱処理よって合成樹脂材料が硬化されて、蛍光層２０が形成される。硬化後の蛍光層２０では、前記蛍光粒子２１および微粒子２２が占める割合が体積比で２０〜５０Ｖｏｌ％程度が好ましい。
【００３１】
この発光装置１では、リード端子５とリード端子６間に電圧を印加し、半導体発光素子１０に順電流が与えられると、半導体発光素子１０から青色または青色系の光が発せられる。この実施の形態では、波長が４６０〜４７０ｎｍの範囲の青色の光が発せられる。また蛍光粒子２１は、前記光を吸収し、この光に励起されて黄色または黄色系の光を発する。合成樹脂材料の層を透過する青色または青色系の光と、蛍光粒子２１から発せられる黄色または黄色系の光が合成されることにより、発光装置１からは白色または白色系の光が発せられる。
【００３２】
高出力の光を発するために、半導体発光素子１０に比較的大きな電流を与えると、半導体発光素子１０が発熱し、この熱が蛍光層２０に与えられる。これに加えて、使用環境温度が高くなると、蛍光層２０が高温となる。ＹＡＧ蛍光体などで形成されている蛍光粒子２１は、温度が上昇すると、発光効率が低下し、その結果、発光装置１から発せられる光は、半導体発光素子１０から発せられる光の量に対して、蛍光粒子２１から発せられる光の量が低下して、両光が合成された光の色度および色温度が変動する傾向にある。しかし、発光装置１では、図ないし図５に示すように、蛍光粒子２１の外周に、多数の空気層２３が存在し、この空気層２３が断熱層として機能するため、蛍光粒子２１の温度上昇を抑制できる。さらに蛍光層２０内で蛍光粒子２１が凝集していることにより、蛍光粒子２１の温度の上昇を抑制できる。そのため、蛍光粒子２１の発光効率の低下を抑制でき、発光装置１から発せられる光の色度および色温度の変動を抑制できるようになる。
【実施例】
【００３３】
（実施例）
実施例の発光装置１では、半導体発光素子１０として、４６０〜４７０ｎｍの範囲の青色の光を発するものを使用した。蛍光粒子２１は平均粒径８μｍのＹＡＧ蛍光体を使用し、微粒子は平均粒径０．１μｍのシリカ（ＳｉＯ２）を用いた。ホソカワミクロン株式会社製の「微粒子複合化装置（形式：ＮＣ−ＬＡＢ−Ｐ）」を使用して、蛍光粒子２１と微粒子２２とを複合化した。
【００３４】
複合された蛍光粒子２１と微粒子２２との結合状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、蛍光粒子２１の外周に微粒子２２が平均して５層付着していることを確認でき、またそれぞれの空気層２３の最大空間距離δｍａｘが５０〜６０ｎｍの範囲であることを確認できた。図５は、蛍光粒子２１の外周に５層の微粒子２２が付着している状態を模式的に示している。図５の（１）が１層目の微粒子２２であり、（２）（３）（４）（５）がそれぞれ２層目、３層目、４層目および５層目の微粒子２２である。
【００３５】
外周に微粒子２２が付着している蛍光粒子２１を、硬化前のエポキシ樹脂内に混入し、ボールミルで攪拌した後に、攪拌流体を半導体発光素子１０の表面にポッティングし、熱処理によりエポキシ樹脂を硬化して、蛍光層２０を形成した。硬化前のエポキシ樹脂と蛍光粒子２１および微粒子２２との混合液体内での、前記蛍光粒子２１と微粒子２２の占める割合を、５０ｗｔ％とした。また、硬化後の蛍光層２０を切断してその断面を走査型顕微鏡で確認した結果、ほとんどの蛍光粒子２１が互いに凝集しているのを確認できた。また、半導体発光素子１０の発光面から蛍光層２０の表面までの厚さ寸法は、１００μｍであった。
【００３６】
（比較例）
前記実施例と同じ発光装置であるが、蛍光粒子２１に微粒子２２を付着させることなく、エポキシ樹脂と蛍光粒子のみで蛍光層を形成したものを比較例とした。エポキシ樹脂と蛍光粒子２１との混合流体における蛍光粒子２１の占める割合を前記実施例と同じとした。また、蛍光層の厚みも実施例と同じとした。
【００３７】
（評価）
（ａ）評価法Ａ
実施例と比較例の発光装置に、「１ｍＡ」「５ｍＡ」「２０ｍＡ」「５０ｍＡ」「１００ｍＡ」の順電流を与え、それぞれの電流値において実施例と比較例とから発せられる光の色座標上の変化を色度計で測定した。
（ｂ）評価法Ｂ
実施例と比較例の発光装置に、「２０ｍＡ」の順電流を与え、周囲の温度を「−４０℃」「−３０℃」「０℃」「２５℃」「５０℃」「８５℃」に安定させたときの、実施例と比較例とから発せられる光の色座標上の変化を色度計で測定した。
【００３８】
（評価結果）
図６は、前記評価法Ａでの評価結果を示しており、図７は、前記評価法Ｂでの評価結果を示している。図６と図７では、共に、黒塗りの三角印が実施例の色度の測定結果を示し、黒塗りの小丸が比較例の色度の評価結果を示している。
【００３９】
図６と図８は、横軸をＸとし縦軸をＹとした色度図である。図８は参考のために色度図の全体を示している。図８の色度図内には、各波長の色の座標位置を示している。中央の左下側において破線で囲んでいる領域が白色領域である。また、色座表内では、白色および白色系での色温度を放射線で示している。色温度はＫ（ケルビン）で示しており、色温度が高いと冷たい感じの白色または白色系となり、色温度が低いほど暖かい感じの白色または白色系となる。
【００４０】
図６に示す評価法Ａでは、電流値を変えたときの光の色変化が、比較例で広い範囲であるのに対し、実施例では狭い範囲であることが解る。実施例においても、電流を高くしていくと、光度が少し変化するのが解る。しかし、実施例での色が変化する座標方向は、色温度が変化しない方向、または電流を高くしていくにしたがって、色温度がわずかに低くなる方向である。
【００４１】
よって、実施例では、半導体発光素子に大電流を与えて使用したときに、発光色の色温度が高くなる方向へ変化するのを抑制でき、冷たい感じの光が発せられる状態となるのを抑制できる。
【００４２】
図７に示す評価法Ｂでは、使用環境温度を変化させたときの、発光色の色座標上での変動に関して、実施例は比較例に比べて変動幅が低いことが解る。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態の発光装置を示す断面図、
【図２】前記実施の形態の発光装置に使用されている半導体発光素子を示す拡大断面図、
【図３】蛍光粒子と微粒子が凝集している状態を模式的に示す説明図、
【図４】蛍光粒子の外周に複数の微粒子が付着した状態を模式的に示す説明図、
【図５】蛍光粒子の外周に微粒子が５層付着している状態を模式的に示す拡大説明図、
【図６】評価法Ａによる評価結果を示す色度図、
【図７】評価法Ｂによる評価結果を示す色度図、
【図８】前記図７と図８の色度図に関する説明図
【符号の説明】
【００４４】
１  発光装置
２  パッケージ基板
３  放熱部材
４  パッケージ材
５，６  リード端子
７，８  ワイヤボンディング
１０  半導体発光素子
１１  サファイア基板
１２  ｎ型コンタクト層
１３  ｎ型クラッド層
１４  活性層
１５  ｐ型クラッド層
２０  蛍光層
２１  蛍光粒子
２２  微粒子
２３  空気層
【図１】
2007266283.tif 000003
【図２】
2007266283.tif 000004
【図３】
2007266283.tif 000005
【図４】
2007266283.tif 000006
【図５】
2007266283.tif 000007
【図６】
2007266283.tif 000008
【図７】
2007266283.tif 000009
【図８】
2007266283.tif 000010