(57)【要約】【課題】小型で、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができるＬＥＤ照明装置、投光器及びヘッドライトを提供する。【解決手段】ＬＥＤ照明装置１００は、基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材１３０とを備え、狭角光の全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、全放射束を半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が０．６Ｗ／ｍｍ２以上の光学特性を有する。【選択図】図１
2016143622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が０．６Ｗ／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が０．６Ｗ／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
【請求項３】
基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成され、青色系の光を発する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの光を励起光として黄色系の光を発する蛍光体と、
前記半導体発光素子が発した前記青色系の光と前記蛍光体が発した前記黄色系の光の混合光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全光束が２４（ｌｍ）以上、かつ、前記全光束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した光束密度が１２０（ｌｍ）／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
【請求項４】
前記狭角光は、１／２ビーム角が１．５度以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項５】
前記光学部材から出射された光の光束を前記光学部材に入射された前記光の光束で除した光利用効率が、１／１０ビーム角において４０％以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項６】
前記狭角光は、１５０ｍ先の面において照度２ルクス以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項７】
前記光学部材は、前記半導体発光素子の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第１の整形部と、前記半導体発光素子から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面が円柱状を有し、前記入射面に入射した前記周辺光束を平行光に整形する第２の整形部と、を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子は、
ｎ型半導体基板と、
前記半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、前記ｎ型半導体基板との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層と、
前記ｎ型半導体基板上に前記誘電体層を介して形成され、前記誘電体層、及び前記ｎ型半導体基板の表面の前記誘電体層に覆われていない部分に接触するｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体基板の前記誘電体層が形成された面と反対側に形成されたｎ型電極と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極とを備えた、請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置を備えた投光器。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置を備えたヘッドライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超狭角の光で遠方を照明するＬＥＤ照明装置、投光器及びヘッドライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）のコスト低減により、各種の照明用光源としてＬＥＤが普及してきている。ゲイン塔を照明する投光器として、近隣生活者への影響が出ないようにするため、超狭角の光でゲイン塔を照明するものが実用化されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
この投光器は、投光器の光軸に対して傾けて配置された２つのＬＥＤと、２つのＬＥＤから出射された光を反射するパラボラ曲面による反射板とを備え、直径６５ｃｍ、高さ３５ｃｍのサイズを有し、１４０ｍ先で照度４２ルクス、消費電力５０Ｗ、１／２ビーム角２度を実現している。
【０００４】
一方、車載ヘッドライトとしては、通行人に眩しい思いをさせないようにするため、
消費電力が少なく、小型で、１／２ビーム角が３度以下の超狭角のヘッドライトが検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「配光設計技術」、［online］、パナソニック株式会社、［平成27年2月2検索］、インターネット（URL:http://www2.panasonic.biz/es/lighting/led/special/st/technology.html)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の投光器は、遠方で高い照度が得られているが、大型なものであり、消費電力も大きいという問題がある。また、従来の車載ヘッドライトは、レーザで実用化されているが、レーザは取扱い難いという欠点があり、ＬＥＤではまだ要求を満足するものは実現できていない。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、小型で、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができるＬＥＤ照明装置、投光器及びヘッドライトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［１］基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が０．６Ｗ／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
［２］基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、前記全放射束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した放射束密度が０．６Ｗ／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
［３］基板上に発光層を含む半導体積層体を形成して構成され、青色系の光を発する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの光を励起光として黄色系の光を発する蛍光体と、
前記半導体発光素子が発した前記青色系の光と前記蛍光体が発した前記黄色系の光の混合光を整形して狭角光を出射する光学部材と、
前記半導体発光素子の前記光を出射する側と反対側に設けられた放熱部材とを備え、
前記狭角光の全光束が２４（ｌｍ）以上、かつ、前記全光束を前記半導体発光素子の平面視の面積で除した光束密度が１２０（ｌｍ）／ｍｍ２以上である、ＬＥＤ照明装置。
［４］前記狭角光は、１／２ビーム角が１．５度以下である、前記［１］から［３］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［５］前記光学部材から出射された光の光束を前記光学部材に入射された前記光の光束で除した光利用効率が、１／１０ビーム角において４０％以上である、前記［１］から［４］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［６］前記狭角光は、１５０ｍ先の面において照度２ルクス以上である、前記［１］から［５］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［７］前記光学部材は、前記半導体発光素子の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第１の整形部と、前記半導体発光素子から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面が円柱状を有し、前記入射面に入射した前記周辺光束を平行光に整形する第２の整形部と、を備えた前記［１］から［６］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［８］前記半導体発光素子は、
ｎ型半導体基板と、
前記半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、前記ｎ型半導体基板との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層と、
前記ｎ型半導体基板上に前記誘電体層を介して形成され、前記誘電体層、及び前記ｎ型半導体基板の表面の前記誘電体層に覆われていない部分に接触するｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体基板の前記誘電体層が形成された面と反対側に形成されたｎ型電極と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極とを備えた、前記［１］から［７］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
［９］前記［１］から［８］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置を備えた投光器。
［１０］前記［１］から［８］のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置を備えたヘッドライト。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型で、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ光源の構成を示す正面図である。
【図３】図３は、第２の整形レンズの反射面の設計方法の一例を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれＬＥＤ素子の周囲に蛍光体を配置した一例を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例１のＬＥＤ素子の縦断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＬＥＤ素子のｎ型電極とｎ側パッド電極の拡大断面図、図５（ｃ）は、ＬＥＤ素子の電流密度分布を模式的に示す図である。
【図６】図６は、ｎ側電極のＴｉ層の厚さと、ｎ側電極とｎ型半導体基板の接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、ｎ側電極のＴｉ層の厚さと、ｎ側電極のＴｉ層側から入射する光の反射率との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。
【図１１】図１１は、実施例１のＬＥＤ素子の電圧−電流の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例１のＬＥＤ素子の電流−光出力の関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施例２のＬＥＤ光源の電流−光束の関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例２のＬＥＤ照明装置の照度分布を示すグラフである。
【図１５】図１５は、実施例２のＬＥＤ照明装置の照度分布（正規化後）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００１２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。このＬＥＤ照明装置１００は、通電方向が縦方向のＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ光源１１０と、ＬＥＤ光源１１０から出射された光を例えば平行光に整形して大光量の超狭角の光を出射する光学部材１３０とを備える。なお、ＬＥＤ素子は、半導体発光素子の一例である。光学部材１３０は、光学系の一例である。
【００１３】
（光学特性）
次に、ＬＥＤ照明装置１００の光学特性について説明する。このＬＥＤ照明装置１００は、例えば、１００〜１５０ｍ離れた遠方を、１／２ビーム角が１．５度以下、１／１０ビーム角が４度以下の超狭角ビームで照明する超狭角ビームライトである。ここで、「１／２ビーム角」とは、光度が中心光度の１／２となる光の広がり角度をいう。「１／１０ビーム角」とは、光度が中心光度の１／１０となる光の広がり角度をいう。なお、１００ｍよりも短い距離離れた所を照明してもよい。
【００１４】
また、ＬＥＤ照明装置１００は、照明光が単色の場合は、全放射束が０．１２Ｗ以上、かつ、放射束密度（全放射束／ＬＥＤ素子の平面視の面積）が０．１２Ｗ／０．２ｍｍ２（０．６Ｗ／ｍｍ２）以上が好ましく、全放射束が０．３Ｗ以上、かつ、放射束密度（全放射束／ＬＥＤ素子の平面視の面積）が０．３Ｗ／０．２ｍｍ２（１．５Ｗ／ｍｍ２）以上がより好ましい。
【００１５】
また、ＬＥＤ照明装置１００は、照明光が白色の場合は、全光束が２４（ｌｍ）以上、かつ、光束密度（全光束／ＬＥＤ素子の平面視の面積）が２４（ｌｍ）／０．２ｍｍ２（１２０（ｌｍ）／ｍｍ２）以上が好ましく、全光束が６０（ｌｍ）以上、かつ、光束密度（全光束／ＬＥＤ素子の平面視の面積）が６０（ｌｍ）／０．２ｍｍ２（３００（ｌｍ）／ｍｍ２）以上がより好ましい。
【００１６】
また、ＬＥＤ照明装置１００は、光利用効率（光学部材１３０から出射された光の光束／ＬＥＤ光源１１０から出射された光の光束）が１／２ビーム角において２０％以上、かつ、１／１０ビーム角において４０％以上の光学特性を有する。
【００１７】
すなわち、本ＬＥＤ照明装置１００を例えば車載ヘッドライトに適用する場合、障害物を発見できる照度は２ルクスとされており、障害物を発見してから自動車が停止するまでの距離を考えると、１５０ｍ先で照度が２ルクス以上あるのが好ましい。その性能を１つのＬＥＤ素子１で実現するためには、出射光はできるだけ狭角にする必要があり、ＬＥＤ素子１及び光学部材１３０の性能を考慮すると、１／２ビーム角は１．５度以下が好ましい。また、１５０ｍ先の照度を２ルクス以上とするため、１／２ビーム角１．５度が１５０ｍ先で照射される面積は１１．９ｍ２となり、照度を全光束に換算すると、２３．９ルーメンとなる。したがって、全光束は２４ルーメン以上が好ましい。
【００１８】
（ＬＥＤ光源の構成）
ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子１と、後述する銅ブロック１１１及び放熱器１１７を含む放熱構造とを有する。なお、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する第１の色の光で励起して第２の色の光を発する蛍光体をさらに備えてもよい。蛍光体は、ＬＥＤ素子１の表面に樹脂を介して粉末状のものを付着させてもよく、樹脂に蛍光体を含有させたものをＬＥＤ素子１の表面に形成してもよい。例えば、ＬＥＤ素子１として、青色系の色の光を発するＬＥＤ素子を用い、蛍光体として、青色系の色の光を黄色系の色の光に変換するＹＡＧ系蛍光体、ＢＯＳ系蛍光体等を用いることにより、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子が発する青色系の色の光と蛍光体が変換して出力する黄色系の色の光とが混合されて白色光を出射する。なお、蛍光体の構成の詳細については後述する。また、ＬＥＤ光源１１０から出射する光の色は、青色系の色に限定されず、また混合色も白色に限定されない。
【００１９】
ＬＥＤ素子１は、ｎ型半導体基板と、ｎ型半導体基板の表面を部分的に分散して覆うように形成され、ｎ型半導体基板との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層と、ｎ型半導体基板上に誘電体層を介して形成され、誘電体層、及びｎ型半導体基板の表面の誘電体層に覆われていない部分に接触するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成されたｐ型半導体層と、ｎ型半導体基板の誘電体層が形成された面と反対側に形成されたｎ型電極と、ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極とを備える。なお、ＬＥＤ素子の詳細な構成は後述する。
【００２０】
（光学部材の構成）
光学部材１３０は、ＬＥＤ光源１１０の中心部から出射される中心光束を例えば平行光に整形する第１の整形レンズ１３１と、ＬＥＤ光源１１０から出射される中心光束の周辺部の周辺光束が入射される入射面１３２ｂが円柱状を有し、入射面１３２ｂに入射した周辺光束を平行光に整形する第２の整形レンズ１３２とを備える。第１及び第２の整形レンズ１３１、１３２は、例えば、アクリル樹脂等の透明樹脂から形成される。ここで、第１の整形レンズ１３１は、第１の整形部の一例であり、第２の整形レンズ１３２は、第２の整形部の一例である。図１中、Ｐは点光源の位置を示す。
【００２１】
第１の整形レンズ１３１は、凸レンズにより構成され、平坦な入射面１３１ａと、球面状の出射面１３１ｂとを有する。
【００２２】
第２の整形レンズ１３２は、ＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに垂直に配置される基準面１３２ａと、基準面１３２ａに対してＬＥＤ光源１１０の光軸１１０ａに平行に形成され、ＬＥＤ光源１１０から出射された光（水平方向の光も含む。）が入射する円柱状の入射面１３２ｂと、入射面１３２ｂに入射した光を反射させる反射面１３２ｃと、反射面１３２ｃで反射した光が出射する出射面１３２ｄと、第１の整形レンズ１３１を収容する凹部１３２ｅと、入射面１３２ｂを形成する円柱状の空間と凹部１３２ｅの底面とを連通させる連通部１３２ｆとを備える。なお、図１中、符号１３２ｇは連通部１３２ｆを形成する傾斜面である。
【００２３】
第２の整形レンズ１３２の入射面１３２ｂを円柱状とせずにＬＥＤ素子１を中心としたドーム状にした場合、ＬＥＤ素子１から入射面に入射した光線は直進するため、それを平行光となるように反射面１３２ｃで反射させると、第２の整形レンズ１３２は光軸方向及び径方向に大きくなる。本実施の形態によれば、入射面１３２ｂを円柱状としているため、光軸方向及び径方向の小型化が図れる。
【００２４】
第２の整形レンズ１３２の反射面１３２ｃは、放物線を回転して得られる回転放物面に近似した面となっている。反射面１３２ｃの設計方法については後述する。
【００２５】
なお、第２の整形レンズ１３２の出射面は、リング状に２つ以上有し、光軸方向とは直交する方向に形成された環状の平面部と、平面部とは直交する環状の壁面部とからなる階段形状を有するものでもよい。これにより、厚さが均等に近くなり、高精度な成形品が得られる。なお、第１及び第２の整形レンズ１３１、１３２は、透明樹脂を削り出し加工して形成してもよく、ガラスから形成してもよい。また、第２の整形レンズ１３２の代わりに回転放物面による金属板等を用いた反射鏡でもよい。
【００２６】
（ＬＥＤ光源の構成）
図２は、ＬＥＤ光源１１０の構成を示す正面図である。このＬＥＤ光源１１０は、銅ブロック１１１と、銅ブロック１１１の上面に絶縁層１１２を介して形成され、表面が金メッキされたｎ側電極１１３Ａと、ｎ側電極１１３Ａに電気的に接続されたｎ側リード１１３Ｂと、銅ブロック１１１の上面の一部に形成されたｐ側電極銀メッキ層１１４Ａと、ｐ側電極銀メッキ層１１４Ａに電気的に接続されたｐ側リード１１４Ｂと、ｐ側電極銀メッキ層１１４Ａ上に後述するｐ側パッド電極１８が接続されて実装されたＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１の後述するｎ側パッド電極１６を表面が金メッキされたｎ側電極１１３Ａに電気的に接続する金ワイヤ１１５とを備える。
【００２７】
また、ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子１が実装された銅ブロック１１１に放熱性絶縁シート１１６を介して放熱器１１７を取り付けている。ここで、銅ブロック１１１及び放熱器１１７は、それぞれ放熱部材の一例である。
【００２８】
銅ブロック１１１は、表面が研磨されて銀メッキされている。ＬＥＤ素子１は、ｐ側電極銀メッキ層１１４Ａ上に金錫ハンダ付けされる。
【００２９】
放熱器１１７は、放熱面積を増加させるため、多数のフィンを有しており、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属から形成されている。
【００３０】
ＬＥＤ素子１の発熱を放熱器１１７全体に伝えるため、ＬＥＤ素子１と放熱器１１７との間に銅ブロック１１１を配置している。
【００３１】
図３は、第２の整形レンズ１３２の反射面１３２ｃの設計方法の一例を説明するための図である。ＬＥＤ素子１の光源は厳密には点光源でないが、例えばＬＥＤ素子１の厚さの中心に点光源Ｐが存在するものとして以下説明する。ＬＥＤ素子１の点光源Ｐから入射面１３２ｂに入射する光線は、出射角度に応じて異なる方向に屈折するため、出射角度に応じて図３中焦点１〜焦点６で示すように点光源Ｐの位置を移動させ、各焦点１〜焦点６それぞれに対応して異なる微小放物面１〜放物面６を作成して反射面１３２ｃが形成される。この作成したデータに基づいて、例えば金型を形成し、金型にアクリル樹脂の溶融材を注入することで第２の整形レンズ１３２が形成される。反射面１３２ｃを構成する微小放物面の数を増やすことにより、より滑らかな反射面１３２ｃを形成することができる。
【００３２】
以上のように反射面１３２ｃを仮想の焦点に対応した複数の微小放物面から構成し、微小化したＬＥＤ素子１の位置決めを正確に行うことにより、光学部材１３０を小型化でき、超狭角の光を出射することができる。
【００３３】
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれＬＥＤ素子１の周囲に蛍光体を配置した一例を示す断面図である。図４（ａ）に示す例は、ＬＥＤ素子１の表面（上面、側面）に蛍光体５を含有した樹脂６を薄く均一に塗布したものである。図４（ｂ）に示す例は、内面が反射面となる金属からなるリング７の内側に蛍光体５を含有した樹脂６を充填したものである。図４（ｂ）の構成によれば、ＬＥＤ素子１の側面から出射した光がリング７の内面で反射し、蛍光体５等によって散乱して上方に出射するため、図４（ａ）のものと比較して光利用効率が向上し、照度の向上が図れる。
【００３４】
（ＬＥＤ素子の詳細な構成）
図５（ａ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子１の縦断面図である。ＬＥＤ素子１は、ｎ型半導体基板１０と、ｎ型半導体基板１０の一方の表面に誘電体層１１を介して形成されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２のｎ型半導体基板１０の反対側に形成されたｐ型半導体層１４と、ｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１４に挟まれた発光層１３と、ｎ型半導体基板１０のｎ型半導体層１２と反対側の面上に接続されたｎ側電極１５と、ｎ側電極１５のｎ型半導体基板１０と反対側の面上のｎ側パッド電極１６と、ｐ型半導体層１４の発光層１３と反対側の面上に接続されたｐ側電極１７と、ｐ側電極１７のｐ型半導体層１４と反対側の面上のｐ側パッド電極１８とを有する。ここで、ｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４は、発光層を含む半導体積層体４の一例である。
【００３５】
また、誘電体層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４から構成される積層体の側面は、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる絶縁膜１９に覆われる。
【００３６】
図５（ｂ）は、ＬＥＤ素子１のｎ型電極１５とｎ側パッド電極１６の拡大断面図である。ｎ側電極１５は、ｎ側電極１５がｎ型半導体基板１０にオーミック接触するための、ｎ型半導体基板１０に接触するＴｉ層１５ａと、Ｔｉ層１５ａを透過する光を反射するためのＡｇ層１５ｂとを含む積層構造を有する。なお、Ａｇ層１５ｂの代わりにＡｕ層でもよい。図５（ｂ）の矢印は、発光層１３から発せられてｎ側電極１５により反射される光の経路を概略的に表すものである。
【００３７】
Ｔｉ層１５ａは、Ｔｉからなる。Ｔｉは、ｎ型の（ＡｌｘＧａｙＩｎｚ）２Ｏ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶と低抵抗でオーミック接触するが、光反射率が低いという性質を有する。
【００３８】
Ａｇ層１５ｂは、Ａｇを主成分とする材料、すなわち、Ａｇ又はＡｇ合金からなる。Ａｇ層１５ｂのＡｇ濃度は、反射率を高めるために、９５％以上であることが好ましい。
【００３９】
Ｔｉ層１５ａの厚さは、発光層１３から発せられる光のＴｉ層１５ａによる吸収を抑えて、ｎ側電極１５の反射率の低下を抑えるために、４．５ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以下であることがより好ましい。また、ｎ側電極１５をｎ型半導体基板１０に低抵抗で接触させるために０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４０】
Ａｇ層１５ｂの厚さは、発光層１３から発せられる光を透過せずに反射できる厚さであればよく、例えば、２７０ｎｍである。
【００４１】
ｎ側パッド電極１６は、密着層１６ａ、バリアメタル１６ｂ、パッド層１６ｃを含む積層構造を有する。パッド層１６ｃは、ワイヤーボンディング等により外部電極が接続される低抵抗の層であり、Ａｕからなる。バリアメタル１６ｂは、Ａｇ層１５ｂに含まれるＡｇのＡｇ層１５ｂからパッド層１６ｃへの拡散を防ぎ、Ａｇ層１５ｂに含まれるＡｇとｎ側パッド電極１６に含まれるＡｕとの反応を防ぐ。密着層１６ａは、ｎ側パッド電極１６をｎ側電極１５に密着させるための層である。
【００４２】
密着層１６ａは、例えば、厚さ１０ｎｍのＮｉ膜からなる。バリアメタル１６ｂは、例えば、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜と、厚さ２０ｎｍのＰｔ膜とから構成される積層構造を有する。パッド層１６ｃは、例えば、厚さ４０００ｎｍのＡｕ膜からなる。
【００４３】
ｐ側電極１７は、ｐ型半導体層１４にオーミック接合する電極であり、例えば、厚さ２７０ｎｍのＡｇ濃度９９％のＡｇ合金膜と、厚さ１０ｎｍのＮｉ膜と、厚さ１０ｎｍのＡｕ膜とを積層した積層構造を有する。
【００４４】
ｐ側パッド電極１８は、例えば、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜、厚さ５０ｎｍのＰｔ膜、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を積層した積層構造を有する。
【００４５】
ｎ型半導体基板１０は、（ＡｌｘＧａｙＩｎｚ）２Ｏ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を母結晶として有し、Ｓｉ等のｎ型ドーパントを含む。
【００４６】
ｎ型半導体基板１０のｎ型ドーパントの濃度は、高いほど電気抵抗が下がるが、光吸収が大きくなるという問題がある。そのため、ｎ型半導体基板１０のｎ型ドーパントの濃度は、光吸収を抑えるため、１×１０１９／ｃｍ−３以下であることが好ましく、５×１０１８／ｃｍ−３以下であることがより好ましい。また、導電性を確保するために、５×１０１7／ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００４７】
ｎ型半導体基板１０は、ｎ側電極１５が形成される側の面に凹凸を有することが好ましい。この凹凸の形成により、ＬＥＤ素子１の光取出効率が向上する。
【００４８】
ｎ型半導体層１２は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を母結晶として有し、Ｓｉ等のｎ型ドーパントを含む。ｎ型半導体層１２は、ｎ型クラッド層から構成される単層構造、又はｎ型クラッド層を含む多層構造を有し、例えば、厚さ５μｍのｎ型クラッド層からなる単層構造を有する。
【００４９】
発光層１３は、例えば、５層の厚さ２ｎｍのアンドープ（ＩｎｘＧａ１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）結晶膜と５層の厚さ６ｎｍのアンドープ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）Ｎ（０≦ｙ≦１、ｙ≦ｘ）結晶膜が１層ずつ交互に積層された多重量子井戸構造を有する。発光層１３の発光波長は、例えば、４５０ｎｍ（青色）である。
【００５０】
ｐ型半導体層１４は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶を母結晶として有し、Ｍｇ等のｐ型ドーパントを含む。ｐ型半導体層１４は、ｐ型クラッド層から構成される単層構造、又はｐ型クラッド層を含む多層構造を有し、例えば、発光層１３に接する厚さ５０ｎｍのｐ型クラッド層と、ｐ側電極１７に接する厚さ１０ｎｍのｐ型コンタクト層とからなる多層構造を有する。
【００５１】
誘電体層１１は、ＳｉＮを主成分とするＳｉＮ層やＨｆＯ２を主成分とするＨｆＯ２層等の、ｎ型半導体基板１０との屈折率の差が０．１５以下である誘電体層である。例えば、ｎ型半導体基板１０の屈折率が１．９である場合は、誘電体層１１の屈折率は１．７５以上かつ２．０５以下である。
【００５２】
誘電体層１１は、ｎ型半導体基板１０上に、ｎ型半導体基板１０の表面を部分的に分散して覆うように形成される。誘電体層１１のパターン形状は限定されず、例えば、メサパターン、リセスパターン、ラインアンドスペースパターンである。
【００５３】
誘電体層１１の屈折率はｎ型半導体基板１０の屈折率に近い方が、ｎ型半導体基板１０と誘電体層１１の界面での全反射を抑制し、発光した光を効率的に取り出すことができる。誘電体層１１がＳｉＮ層である場合は、Ｏ等のＳｉ、Ｎ以外の元素を含んでもよい。
【００５４】
誘電体層１１の成膜温度等の形成条件を制御することにより、誘電体層１１の屈折率を調整して、誘電体層１１の屈折率とｎ型半導体基板１０の屈折率の差をより小さくすることができる。
【００５５】
なお、例えば、誘電体層１１の代わりにｎ型半導体基板１０との屈折率の差が大きいＳｉＯ２層を形成した場合、ＳｉＯ２層とｎ型半導体基板１０の界面の反射率が大きく、ｎ型半導体基板１０とｎ型半導体層１２の間の光透過率が低くなる。ＳｉＯ２層の屈折率はおよそ１．４〜１．５５であり、ｎ型半導体基板１０の屈折率との差が０．３５以上である。
【００５６】
ｎ型半導体層１２は、ｎ型半導体基板１０表面を下地とするエピタキシャル結晶成長により形成されるため、誘電体層１１がｎ型半導体基板１０の表面を完全に覆うことはない。ｎ型半導体層１２は、誘電体層１１、及びｎ型半導体基板１０の表面の誘電体層１１に覆われていない部分に接触する。
【００５７】
ｎ型半導体層１２を構成する窒化物半導体結晶は、ｎ型半導体基板１０の上面の誘電体層１１に覆われていない領域から成長し、誘電体層１１からは成長しない。このように、窒化物半導体結晶が選択的に成長し、更に横方向へ成長することで、誘電体層１１を覆いこむ。この際に、ｎ型半導体層１２中の転位密度が低減され、結晶品質が向上する。なお、このような選択横方向成長を用いた結晶成長方法はＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）などと呼ばれる。
【００５８】
ＬＥＤ素子１においては、ｎ型半導体層１２と誘電体層１１の間では、誘電体層１１がパターン加工されているため光が散乱しやすく、ｎ型半導体層などにおける多重全反射を抑制することで、損失を抑えることができる。また、誘電体層１１とｎ型半導体基板１０との間では、誘電体層１１とｎ型半導体基板１０の屈折率の差が小さいため光が透過しやすい。このため、ＬＥＤ素子１におけるｎ型半導体層１２とｎ型半導体基板１０の間の光の取り出し効率が高い。
【００５９】
（ＬＥＤ素子の製造方法）
以下に、本実施の形態のＬＥＤ素子の製造方法の一例について説明する。
【００６０】
まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたｎ型半導体基板１０に有機洗浄、ＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄を施す。
【００６１】
次に、ｎ型半導体基板１０上に誘電体層１１を形成する。具体的には、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により３００〜３５０℃の成長温度でｎ型半導体基板１０上に形成した、厚さ１μｍ程度のＳｉＮ膜を、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより加工して、誘電体層１１を形成する。
【００６２】
次に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ型半導体基板１０上に、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４を順次エピタキシャル成長させる。ここで、ｎ型半導体層１２は、例えば、１０００〜１１００℃の成長温度で形成される。発光層１３は、例えば、７００〜８００℃の成長温度で形成される。ｐ型半導体層１４は、例えば、９００〜１０５０℃の成長温度で形成される。
【００６３】
次に、ｎ側電極１５及びｐ側電極１７を形成する。具体的には、ｎ側電極１５及びｐ側電極１７は、例えば、フォトリソグラフィーと蒸着により各々の上記の積層構造を形成した後、窒素雰囲気中、５００℃、５分間の条件で熱処理を施すことにより得られる。なお、ｎ側電極１５を形成する前に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、ｎ型半導体基板１０のｎ側電極１５が形成される側の面に凹凸を形成することが好ましい。その後、ｎ側電極１５上にｎ側パッド電極１６を形成する。
【００６４】
次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、誘電体層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４から構成される積層体にメサ加工を施した後、その積層体の側面を覆うようにスパッタ等により絶縁膜１９を形成する。ｐ側電極１７上の絶縁膜１９は、フォトリソグラフィーとエッチング等により、選択的に除去される。その後、ｐ側電極１７上にｐ側パッド電極１８を形成する。
【００６５】
次に、ウエハ状態のｎ型半導体基板１０をダイシングにより分割することによりチップ化されたＬＥＤ素子１を得る。チップ化されたＬＥＤ素子１の平面形状は、例えば、一片の長さが１ｍｍの正方形である。
【００６６】
（電流密度分布）
図５（ｃ）は、ＬＥＤ素子１の電流密度分布を模式的に示す図である。ｎ型半導体基板１０は、導電性であるので、ｐ側パッド電極１８からｎ側パッド電極１６に向かう電流は、図５（ｃ）に示すように、中央から端に渡ってほぼ均等に流れる。中央を流れる電流をｉｃ、端側を流れる電流をｉｐとすると、ｉｐ／ｉｃ≦１／２である。
【００６７】
（ｎ側電極とｎ型半導体基板の接触抵抗の評価）
図６は、ｎ側電極１５のＴｉ層１５ａの厚さと、ｎ側電極１５とｎ型半導体基板１０の接触抵抗との関係を示すグラフである。ここで、本評価においては、ｎ型半導体基板１０としてＧａ２Ｏ３基板を用い、ｎ側電極１５のＡｇ層１５ｂとしてＡｇ濃度９９％、Ｐｄ濃度１％のＡｇ合金を用いた。
【００６８】
図６のプロットマーク◇は、ｎ型半導体基板１０のキャリア濃度が３．０×１０１８／ｃｍ３であるときの測定値である。プロットマーク○は、ｎ型半導体基板１０のキャリア濃度が７．０×１０１８／ｃｍ３であるときの測定値である。プロットマーク□は、ｎ型半導体基板１０のキャリア濃度が１．３×１０１９／ｃｍ３であるときの測定値である。
【００６９】
また、図６の３本の点線は、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜と厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を積層した積層構造を有する従来のＴｉ／Ａｕ電極とｎ型半導体基板１０の接触抵抗を表す。これら３本の点線は、それぞれｎ型半導体基板１０のキャリア濃度が３．０×１０１８／ｃｍ３、７．０×１０１８／ｃｍ３、１．３×１０１９／ｃｍ３であるときの測定値を表す。
【００７０】
図６は、Ｔｉ層１５ａの厚さが少なくとも０．５ｎｍ以上のときに、ｎ型半導体基板１０との接触抵抗が十分に小さくなることを示している（従来のＴｉ／Ａｕ電極の接触抵抗には及ばなくても十分に小さい）。なお、Ｔｉ層１５ａの厚さが０、すなわちＴｉ層１５ａが設けられない場合は、ｎ側電極１５とｎ型半導体基板１０はオーミック接触せず、電流が流れにくい。
【００７１】
本評価の結果から、ｎ側電極１５をＧａ２Ｏ３基板に接続する場合には、Ｔｉ層１５ａの厚さが０．５ｎｍ以上であることが好ましいことがわかった。
【００７２】
また、Ｇａ２Ｏ３結晶と（ＡｌｘＧａｙＩｎｚ）２Ｏ３結晶がほぼ同じ特性を有することから、ｎ側電極１５をｎ型半導体基板１０に接続する場合には、Ｔｉ層１５ａの厚さが０．５ｎｍ以上であることが好ましいといえる。
【００７３】
（ｎ側電極の光反射率の評価）
図７は、ｎ側電極１５のＴｉ層１５ａの厚さと、ｎ側電極１５のＴｉ層１５ａ側から入射する光の反射率との関係を示すグラフである。図７の縦軸は、Ａｇ濃度１００％のＡｇミラーの反射率を基準（１００％）とした相対反射率である。ここで、本評価においては、ｎ側電極１５のＡｇ層１５ｂとしてＡｇ濃度９９％、Ｐｄ濃度１％のＡｇ合金を用いた。
【００７４】
図７のプロットマーク◆は、成膜後にアニール処理を施していないｎ側電極１５の測定値であり、プロットマーク□は、成膜後にアニール処理を施したｎ側電極１５の測定値である。図７は、アニール処理の前後でｎ側電極１５の反射率がほとんど変化しないことを示している。
【００７５】
図７の点線は、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜と厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を積層した積層構造を有する従来のＴｉ／Ａｕ電極の相対反射率（５３．５％）を示す。図７によれば、ｎ側電極１５のＴｉ層１５ａの厚さがおよそ４．５ｎｍ以下のときに従来のＴｉ／Ａｕ電極よりも反射率が大きくなる。そして、およそ２．０ｎｍ以下のときに相対反射率が８０％よりも大きくなる。
【００７６】
以下の表１に、図７に示される各測定点の数値を表す。
【００７７】
【表１】
2016143622.tif 000003
【００７８】
本評価の結果から、ｎ側電極１５のＴｉ層１５ａの厚さは４．５ｎｍ以下であることが好ましく、２．０ｎｍ以下であることがより好ましいことがわかった。
【００７９】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と異なる構造を有するＬＥＤ素子についての形態である。ＬＥＤ素子の構成部材等、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
【００８０】
図８は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子２の縦断面図である。ＬＥＤ素子２は、ｎ型半導体基板１０と、ｎ型半導体基板１０の一方の表面に誘電体層１１を介して形成されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２のｎ型半導体基板１０の反対側に形成されたｐ型半導体層１４と、ｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１４に挟まれた発光層１３と、ｎ型半導体基板１０のｎ型半導体層１２が形成されている側の面上に接続されたｎ側電極１５と、ｎ側電極１５のｎ型半導体基板１０と反対側の面上のｎ側パッド電極１６と、ｐ型半導体層１４の発光層１３と反対側の面上のｐ側電極１７と、ｐ側電極１７のｐ型半導体層１４と反対側の面上のｐ側パッド電極１８とを有する。
【００８１】
また、誘電体層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４から構成される半導体積層体４の側面は、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる絶縁膜１９に覆われる。
【００８２】
ＬＥＤ素子２は、横型のＬＥＤ素子であり、ｎ側電極１５がｎ型半導体基板１０のｎ型半導体層１２が形成されている側の面上に接続される点で、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と異なる。
【００８３】
ＬＥＤ素子２のｎ側電極１５は、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１のｎ側電極１５と同様の積層構造を有するため、発光層１３から発せられてｎ型半導体基板１０内をｎ側電極１５に向かって進む光を効率よく反射することができる。このため、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子１と同様に、ＬＥＤ素子２は高い光取出効率を有する。
【００８４】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と異なる構造を有するＬＥＤ素子についての形態である。ＬＥＤ素子の構成部材等、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
【００８５】
図９は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子３の縦断面図である。ＬＥＤ素子３は、ｎ型半導体基板１０と、ｎ型半導体基板１０の一方の表面に誘電体層１１を介して形成されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２のｎ型半導体基板１０の反対側に形成されたｐ型半導体層１４と、ｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１４に挟まれた発光層１３と、ｐ型半導体層１４の発光層１３と反対側の面上に形成されたｐ側電極２２と、誘電体層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４、及びｐ側電極２２を貫通するｎ側電極２０と、ｐ側電極２２のｐ型半導体層１４と反対側の面上に絶縁膜１９を介して形成され、ｎ側電極２０に接続されるパッド電極２１とｐ側電極２２のｐ型半導体層１４と反対側の面上のパッド電極２３とを有する。
【００８６】
また、誘電体層１１、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４から構成される積層体の側面は、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる絶縁膜１９に覆われる。この積層体は、絶縁膜１９により、ｎ側電極２０及びパッド電極２１と直接接触しない。
【００８７】
ｎ側電極２０は、ｎ側電極２０がｎ型半導体基板１０にオーミック接触するための、ｎ型半導体基板１０に接触するＴｉ層２０ａと、Ｔｉ層２０ａを透過する光を反射するためのＡｇ層２０ｂとを含む積層構造を有する貫通電極である。ＬＥＤ素子３は、図７に示されるように、電流分散のために複数のｎ側電極２０を有することが好ましい。
【００８８】
Ｔｉ層２０ａ、Ａｇ層２０ｂは、それぞれ第１の実施の形態のｎ側電極１５のＴｉ層１５ａ、Ａｇ層１５ｂと同様の材料からなる。
【００８９】
また、Ｔｉ層２０ａの厚さは、第１の実施の形態のｎ側電極１５のＴｉ層１５ａと同様に、４．５ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以下であることがより好ましい。また、ｎ側電極２０をｎ型半導体基板１０に低抵抗で接触させるために０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００９０】
パッド電極２１は、第１の実施の形態のｎ側パッド電極１６と同様に、密着層２１ａ、バリアメタル２１ｂ、パッド層２１ｃを含む積層構造を有する。密着層２１ａ、バリアメタル２１ｂ、パッド層２１ｃは、それぞれ第１の実施の形態に係る密着層１６ａ、バリアメタル１６ｂ、パッド層１６ｃと同様の材料からなり、同様の厚さを有する。
【００９１】
ｐ側電極２２は、ｐ型半導体層１４にオーミック接合する電極であり、例えば、厚さ２７０ｎｍのＡｇ濃度９９％のＡｇ合金膜と、厚さ１０ｎｍのＮｉ膜と、厚さ１０ｎｍのＡｕ膜とを積層した積層構造を有する。
【００９２】
パッド電極２３は、例えば、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜、厚さ５０ｎｍのＰｔ膜、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を積層した積層構造を有する。
【００９３】
ＬＥＤ素子３は、横型のＬＥＤ素子であり、主にｎ側電極２０が貫通電極である点において、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子１と異なる。
【００９４】
ＬＥＤ素子３のｎ側電極２０は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子１のｎ側電極１５と同様の積層構造を有するため、発光層１３から発せられてｎ型半導体基板１０内をｎ側電極２０に向かって進む光を効率よく反射することができる。このため、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子１と同様に、ＬＥＤ素子３は高い光取出効率を有する。
【００９５】
（第１乃至第３の実施の形態の効果）
上記第１乃至第３の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ｎ側電極が発光層から発せられた光を効率的に反射することができるため、ｎ側電極の光吸収に起因するＬＥＤ素子の光取出効率の低下を抑えることができる。
（２）ｎ型半導体基板１０とｎ型半導体層１２との間に部分的に分散して誘電体層１１を設けたことで、結晶品質が良好なｎ型半導体層１２が得られ、このｎ型半導体層１２上に形成された発光層１３及びｐ型半導体層１４も結晶品質が良好となる。この結果、効率が向上する。
（３）ｎ型半導体基板１０として、光透過性を有するＳｉＣ基板よりも固有抵抗の小さい導電性酸化ガリウム基板を用い、導電性酸化ガリウム基板を比較的厚くすることで電流が十分拡散するようにした。その結果、電流の面内の均一性が増してＬＥＤ素子の破壊を回避でき、ＬＥＤ素子に供給する電流を大きくできる。
（４）ＬＥＤ光源１１０は、さらに放熱構造を有しているため、小型なＬＥＤ素子１でありながら、ＬＥＤ素子１に大電流を供給することができる。
（５）ＬＥＤ光源１１０を小型にして点光源に近似したものとし、光学部材１３０の焦点にＬＥＤ光源１１０の点光源を正確に配置することにより、超狭角の光を実現することができる。
（６）光学部材１３０をＬＥＤ素子１の中心部から出射される中心光束を平行光に整形する第１の整形レンズ１３１と、入射面１３２ｂが円柱状で、ＬＥＤ素子１から出射される中心光束の周辺の周辺光束を平行光に整形する第２の整形レンズ１３２とによる光学系を採用したので、光学系を小型にできる。
（７）したがって、小型なＬＥＤ素子１でありながら、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができる。
【００９６】
［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置の概略の構成例を示す縦断面図である。第１の実施の形態は、光を出射する側に光学部材１３０を配置したが、本実施の形態は、光を出射する側と反対側に光学部材２３０を配置したものである。以下、第４の実施の形態について、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００９７】
本実施の形態に係るＬＥＤ光源１１０のＬＥＤ素子は、表面の出射面の中心が光学部材２３０の後述する基準面２３１と一致するように配置される。
【００９８】
光学部材２３０は、基準面２３１と、基準面２３１に形成された回転放物面による反射面２３２と、基準面２３１と反対側に設けられた対向面２３３と、円柱状の側面２３４とを備える。光学部材２３０の側面２３４の直径は、例えば８０ｍｍ、反射面２３２の直径は、例えば６０ｍｍ、反射面２３２の光軸１１０ａ方向の長さ（高さ）は、例えば１５ｍｍ、側面２３４の長さは、例えば２４ｍｍである。光学部材２３０は、例えば、アクリル樹脂の表面を銀メッキされたもので形成される。ＬＥＤ素子１は、サファイア基板等の透明基板１１８上に形成された配線パターン上にダイボンディングされ、金ワイヤで接続される。
【００９９】
なお、第４の実施の形態について、実施例１、２と同様に光学特性を測定したところ、実施例１、２と同様の結果が得られている。
【実施例１】
【０１００】
実施例１のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態に対応するものであり、平面視で４４０μｍ×４４０μｍのサイズを有し、全体の高さを３００μｍとした、青色系の光を発する青色ＬＥＤ素子である。
【０１０１】
ＬＥＤ素子１を取り付けにあたってＬＥＤ素子１の位置と光学部材１３０の焦点との位置合わせは、とても重要である。それぞれｘ軸ｙ軸ｚ軸方向にずれた場合には、平行光のビーム角度が大きくなるという問題が起きる。
【０１０２】
光学部材１３０の第１の整形レンズ１３１は、以下の寸法のものを用いた。
（ａ）出射面１３１ｂの半径Ｒ＝１１．８ｍｍ
（ｂ）入射面１３１ａの外径Ｄ１＝２２ｍｍ
【０１０３】
光学部材１３０の第２の整形レンズ１３２は、以下の寸法のものを用いた。
（ａ）入射面１３２ｂを構成する円柱空間の直径Ｄ２＝１２ｍｍ
（ｂ）基準面１３２ａの外径Ｄ３＝２３．９４ｍｍ
（ｃ）出射面１３２ｄの外径Ｄ４＝６０ｍｍ
（ｄ）光軸１１０ａに沿う方向の長さ（高さ）Ｌ０＝２７．５ｍｍ
（ｅ）凹部１３２ｅの深さＬ１＝１０．２ｍｍ
（ｆ）連通部１３２ｆの光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ２＝７．０ｍｍ
（ｇ）入射面１３２ｂの光軸１１０ａに沿う方向の長さＬ３＝１０．４ｍｍ
（ｈ）傾斜面１３２ｇの角度θ＝６０度
光学部材１３０の直径６０ｍｍに対してＬＥＤ素子１のサイズ４４０μｍ×４４０μｍは、十分に小さいといえる。
【０１０４】
（ＬＥＤ素子の特性）
図１１は、実施例１のＬＥＤ素子１の電圧−電流の関係を示すグラフである。図１１において、比較例１は、下地基板としてサファイア基板を用いたＬＥＤ素子である。図１２は、実施例１のＬＥＤ素子１の電流−光出力（全放射束）の関係を示すグラフである。
【０１０５】
図示しない定電流回路のマイナス電極をｎ側リード１１３Ｂ、ｎ側電極１１３Ａ、金ワイヤ１１５を介してＬＥＤ素子１のｎ側パッド電極１６に接続し、定電流回路のプラス電極から、ｐ側リード１１４Ｂを介して、銅ブロック１１１のｐ側電極銀メッキ層１１４Ａを通じてＬＥＤ素子１のｐ側パッド電極１８に通電する。図１１、図１２は、このときのＬＥＤ素子１から出射された青色系の光の出力特性を示す。
【０１０６】
比較例１のＬＥＤ素子は、図１２に示すように、０．２Ａ程度で光出力（全放射束）が落ちて直ぐに破壊に至っている。
【０１０７】
これに対して、実施例１のＬＥＤ素子の最大電流は、図１１、図１２に示すように、１．３Ａであり、そのときの光出力の全放射束は、０．６６１Ｗであった。
【０１０８】
実施例１のＬＥＤ素子１の平面視のサイズが４４０μｍ×４４０μｍなので、面積としては０．１９４ｍｍ２となり、放射束密度０．６６１／０．１９４＝３．４１Ｗ／ｍｍ２と計算できる。この値は、一般的なＬＥＤ素子の０．０８Ｗ／ｍｍ２と比較すると、放射束密度が大変に大きく取れることが分かる。
【０１０９】
このＬＥＤ素子は、導電性酸化ガリウム基板上にバッファ層を介して窒化ガリウムエピタキシャル膜により発光する縦型構造のＬＥＤ素子である。これにより、発光層の電流拡散が良いので、大電流を流したときのいわゆるドループが起き難く、更に直列抵抗が小さいため、順方向電圧Ｖｆが小さく、効率が落ないためである。その上にＬＥＤからの放熱をよくするため、ｐダウン構造（ｐ電極が出射面とは反対側に設けられた構造）とし、発光層からの熱を効率よく銅ブロックに放熱できる構造としている。
【実施例２】
【０１１０】
本発明の実施例２に係るＬＥＤ照明装置１００は、実施例１とはＬＥＤ光源１１０のみが異なる。実施例２のＬＥＤ光源１１０は、実施例１の同様の構成のＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１の表面全体に蛍光体を塗布したものである。実施例２のＬＥＤ素子１は、青色系の光を出射する青色ＬＥＤ素子である。蛍光体は、例えば、青色系の光を黄色系の光に変換するＹＡＧ系蛍光体、ＢＯＳ系蛍光体等である。ＬＥＤ光源１１０は、ＬＥＤ素子１が変換されずに透過した青色系の光と蛍光体によって変換された黄色系の光とが混合されて白色光を出射する。
【０１１１】
蛍光体は、予めシリコン系の樹脂に粉末状蛍光体を均一に練りこんだものを、ＬＥＤチップ表面に均一に塗布した後、塗膜を周囲温度１５０℃、１時間で硬化して形成される。
【０１１２】
このようにして蛍光体を塗布し白色化した光源の出力特性を図１３に示す。蛍光体をＬＥＤ素子１に塗布すると、蛍光体から発生する熱によりジャンクション温度が若干上昇するため、ＬＥＤ素子１の電流の上限１．３Ａが０．７Ａと少し低くなっているが、それでも１０７ルーメンと十分な光量が得られている。
【０１１３】
実施例２のＬＥＤ素子１から１０ｍ離れた面における照度分布を図１４、図１５に示す。図１４は、実施例２のＬＥＤ照明装置の照度分布の実測を示すグラフである。図１５は、実施例２のＬＥＤ照明装置の照度分布の最大値を１００％として正規化したグラフである。この実施例２は、直径６０ｍｍの光学部材１３０を用いて１／２ビーム角１．３度、１／１０ビーム角３度を達成した。また、ビーム光利用効率は、非常に高く、１／２ビーム角の時２１％以上、１／１０ビーム角では４２％以上であった。ビーム角の鋭さとチップの（外形寸法／照明装置のレンズ径）は比例関係になるが、この場合、４４０μｍ／６０ｍｍ＝０．００７３であった。
【０１１４】
（実施例１、２の効果）
本実施例１、２によれば、以下の効果を奏する。
（１）ＬＥＤのサイズを小さくしても効率の低下が少ない構造を採用したので、電流を増加した際、発熱量が小さく、大光量の光を出射することができる。
（２）ＬＥＤのサイズを４４０μｍ×４４０μｍと小さくしたので、狭角の光を出射することができる。
（３）上記（１）、（２）よりサイズの小さいＬＥＤ照明装置で、大光量の超狭角の光で遠方を照明することができる。
（４）小型で軽量なサーチライトやヘッドランプに適用が容易である。
（５）ヘッドランプのハイビームの車検基準は、４灯式では１２０００カンデラ以上、２灯式では１５０００カンデラ以上であるが、ビーム角３度のときそれぞれ２６ルーメン、３２ルーメンとなる。一方、本実施例の酸化ガリウム基板を用いた縦型ＬＥＤチップは、４４０μｍ×４４０μｍという小さい光源でありながら１１０ルーメン以上の光量が得られるので、車載に適用することができる。
（６）０．５Ａのとき、消費電力１．９Ｗ、８６ルーメンが得られ、１００ｍ先の照度は７．４ルクスであった。また、１５０ｍ先の照度は実測値で３ルクスであり、遠方視認性が向上した。また、第２乃至第３の実施の形態においても、実施例１、２と同様の光学特性が期待できる。
【０１１５】
（他の課題）
従来のＬＥＤ素子の定格電流は、通常２０〜５０ｍＡ程度である。窒化ガリウムを発光層とする青色ＬＥＤ素子の順方向電圧Ｖｆは、３Ｖ程度である。この青色ＬＥＤ素子の電力は０．０６Ｗ〜０．１５Ｗ程度となり、１３０ルーメン／Ｗの発光効率とすれば、全光量は７．８〜１９．５ルーメンとなる。１／２ビーム角３度で全光量７．８ルーメンの１００ｍ先の照度は０．４ルクス、同じく１９．５ルーメンの照度は０．９ルクスである。これでは、サーチライトとしては暗い。
【０１１６】
一方、光源の発光効率を落とさずに照度を上げるためには、ＬＥＤチップの大きさを大きくする必要があるが、光源の面積が増えることによりビーム角が大きくなってしまうので１００ｍ先の照度が上がらないばかりか不要な場所を照射してしまうという不具合が発生する。
【０１１７】
したがって、出射面の直径６０ｍｍを大きくせずに光源の大きさだけを大きくすると、１００ｍ先の光の利用効率はかなり低下してしまう。この場合に、ビーム角を変えなければ１００ｍ先の照度が上がり、光の利用効率も落ちないのだが、光源の面積を大きくしてビーム角を同じにするためには、出射面を大きくする必要があり、同時に光学系の高さも同じく大きくする必要がある。このため小型で安価という目的から大きく外れてしまう。
【０１１８】
以上のことから、我々は光源の発光効率が多少低下しても、大きさを大きくせずに電流を増加させて光量を増やすことで、光の利用効率を維持したまま１００ｍ先の照度を上げかつ小型・安価な製品化を目指した。その結果、酸化ガリウム基板を使った縦型ＬＥＤチップは４４０μｍ×４４０μｍという小さい光源でありながら１００ｍ先で７．４ルクス以上の照度が得られ、１５０ｍ先で３ルクスの照度が得られた。
【０１１９】
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。例えば、基板として、導電性酸化ガリウム基板について説明したが、基板は窒化ガリウム基板でもよい。また、複数のＬＥＤ照明装置１００をマトリクス状又は一列に並べて用いてもよい。また、１つのＬＥＤ照明装置が複数のＬＥＤ素子を用いてもよい。これにより照射面の照度を上げることができる。また、ＬＥＤ光源は、紫外ＬＥＤを用いてもよく、紫外ＬＥＤと蛍光体を用いてもよい。
【０１２０】
また、本発明の要旨を変更しない範囲内で、上記実施の形態の構成要素の一部を省くことが可能である。例えば、使用条件が厳しくない場合には、銅ブロック１１１及び放熱器１１７を備えた放熱構造の代わりに通常のプリント基板でもよい。すなわち、銅ブロック１１１又は銅ブロック１１１と放熱器１１７の代わりに通常のプリント基板でもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１〜３…ＬＥＤ素子、４…半導体積層体、５…蛍光体、６…樹脂、７…リング、
１０…ｎ型半導体基板、１１…誘電体層、１２…ｎ型半導体層、１３…発光層、
１４…ｐ型半導体層、１５…ｎ側電極、１５ａ…Ｔｉ層、１５ｂ…Ａｇ層、
１６…ｎ側パッド電極、１６ａ…密着層、１６ｂ…バリアメタル、１６ｃ…パッド層、
１７…ｐ側電極、１８…ｐ側パッド電極、１９…絶縁膜、２０…ｎ側電極、
２０ａ…Ｔｉ層、２０ｂ…Ａｇ層、２１…パッド電極、２１ａ…密着層、
２１ｂ…バリアメタル、２１ｃ…パッド層、２２…ｐ側電極、
１００…ＬＥＤ照明装置、１１０…ＬＥＤ光源、１１０ａ…光軸、１１１…銅ブロック、
１１２…絶縁層、１１３Ａ…ｎ側電極、１１３Ｂ…ｎ側リード、
１１４Ａ…ｐ側電極銀メッキ層、１１４Ｂ…ｐ側リード、１１５…ボンディングワイヤ、
１１６…放熱性絶縁シート、１１７…放熱器、１１８…透明基板、１３０…光学部材、
１３１…第１の整形レンズ、１３１ａ…入射面、１３１ｂ…出射面、
１３２…第２の整形レンズ、１３２ａ…基準面、１３２ｂ…入射面、１３２ｃ…反射面、
１３２ｄ…出射面、１３２ｅ…凹部、１３２ｆ…連通部、１３２ｇ…傾斜面、
２３０…光学部材、２３１…基準面、２３２…反射面、２３３…対向面、２３４…側面
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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