JP2021145118A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換部材と反射部材を接触して配置しても、反射部材の劣化を抑制することが可能な半導体発光装置を提供する。【解決手段】一次光を発光する発光素子（１２）と、一次光により励起されて二次光を発光する蛍光体材料を含有する波長変換部材（１３）と、波長変換部材（１３）の一面に接して配置され、一次光および二次光を反射する反射部材（１４）を備え、反射部材（１４）の最表面が無機材料で構成されている半導体発光装置（１０）。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に波長変換部材に接触して設けられた反射部材を備える半導体発光装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた照明装置や車両用灯具等の半導体発光装置が普及している。これらの半導体発光装置では、短波長の一次光を発光する発光ダイオードと、一次光により励起されて二次光を発光する蛍光体材料を用い、一次光と二次光を混色することで白色を得ている。

また、蛍光体材料を含有する波長変換部材において、一次光を効率的に二次光に波長変換するために、波長変換部材の周囲に反射部材を配置し、波長変換部材から外部に放出される一次光を波長変換部材の方向に反射させる構造の半導体発光装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。

図７は、従来の半導体発光装置における波長変換部材と反射部材の境界での光の反射を示す模式図である。従来の半導体発光装置では、図示しない発光ダイオードからの一次光は、図中矢印で示した経路のように波長変換部材１に入射する。波長変換部材１に含有された蛍光体微粒子で一次光の一部は二次光に波長変換されるが、変換されなかった一次光は波長変換部材１を透過して外部方向に進行し、その一部は反射部材２に到達する。

反射部材２は、媒質中に光散乱粒子３が多数分散された構造を有しており、媒質と光散乱粒子３の屈折率差によって、反射部材２に到達した一次光および二次光が反射されて再度波長変換部材１の方向に進行する。一次光を効率的に波長変換部材１方向に反射させるためには、反射部材２が波長変換部材１の側面に接触するように配置されていることが好ましい。このような従来の半導体発光装置では、反射部材２の媒質としてシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の有機材料を用い、光散乱粒子３として酸化チタン等の白色粒子を用いていた。

特開２０１９−０２９３６６号公報

しかし、近年の発光ダイオードの性能向上により、半導体発光装置の大出力化と高輝度化が進展しており、発光ダイオードおよび波長変換部材１での発熱量も増大してきた。図７に示したような構造を備える半導体発光装置では、反射部材２が波長変換部材１や発光ダイオードに近接して配置されている。したがって、反射部材２は短波長で高エネルギーの一次光が強く照射されるとともに、発光ダイオードや波長変換部材１で生じた熱により高温に晒されることとなる。

反射部材２の媒質として有機材料を用いていると、このような高温と高エネルギーの光照射によって樹脂の劣化が促進され、機械的強度や防湿性の低下が生じる可能性があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、波長変換部材と反射部材を接触して配置しても、反射部材の劣化を抑制することが可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、一次光を発光する発光素子と、前記一次光により励起されて二次光を発光する蛍光体材料を含有する波長変換部材と、前記波長変換部材の一面に接して配置され、前記一次光および前記二次光を反射する反射部材を備え、前記反射部材の最表面が無機材料で構成されていることを特徴とする。

このような本発明の半導体発光装置では、反射部材の最表面が無機材料で構成されているため、反射部材の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材と反射部材を接触して配置しても、反射部材の劣化を抑制することが可能となる。

また本発明の一態様では、前記反射部材は、ガラス材料に光散乱粒子が分散されたものである。

また本発明の一態様では、前記ガラス材料は、低融点ガラスまたはゾルゲルガラスである。

また本発明の一態様では、前記反射部材は、セラミックインクで構成されている。

また本発明の一態様では、前記反射部材は、酸化ケイ素と酸化アルミニウムの積層構造で構成されている。

また本発明の一態様では、前記反射部材は、有機材料に光散乱粒子が分散された下層と、前記下層を覆って前記最表面を有する上層により構成される。

また本発明の一態様では、前記最表面は平坦化面で構成されて、前記波長変換部材と面一に形成されている。

また本発明の一態様では、前記発光素子および前記波長変換部材を複数備え、前記複数の発光素子および前記波長変換部材を囲む枠体を備え、前記下層は、前記枠体の内側で前記発光素子および前記波長変換部材の側面を覆って形成されており、前記上層は、無機透明材料で構成されている。

また本発明の一態様では、前記波長変換部材と前記反射部材との線膨張係数の差が、±５ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲である。

本発明では、波長変換部材と反射部材を接触して配置しても、反射部材の劣化を抑制することが可能な半導体発光装置を提供することができる。

第１実施形態に係る半導体発光装置１０を示す模式図である。 半導体発光装置１０の変形例を示す模式図である。 第２実施形態に係る半導体発光装置２０を示す模式図である。 第３実施形態に係る半導体発光装置３０を示す模式図である。 第４実施形態に係る半導体発光装置４０を示す模式図である。 第５実施形態に係る半導体発光装置５０を示す模式図である。 従来の半導体発光装置における波長変換部材と反射部材の境界での光の反射を示す模式図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る半導体発光装置１０を示す模式図である。図１に示すように半導体発光装置１０は、搭載基板１１と、発光素子１２と、波長変換部材１３と、反射部材１４とを備えている。

搭載基板１１は、一方の面に発光素子１２を搭載し、発光素子１２に対して電力を供給する配線が形成された部材である。搭載基板１１を構成する材料は限定されず、プリント配線基板、セラミック基板、金属板上に絶縁層を形成した複合基板、可撓性を有する基板等、従来公知の材料と構造を用いることができる。

発光素子１２は、半導体材料で構成されて電圧が印加されることで一次光を発光する部材であり、例えば発光ダイオードチップやレーザダイオードチップが挙げられる。発光素子１２を構成する具体的な材料や構造は限定されず、従来公知のものを用いることができる。一例としては、青色や紫色、紫外光の波長を一次光として出射するＧａＮ系材料を用いたダブルヘテロ構造のフリップチップタイプのものを用いることができる。また、図１では図示を省略しているが、発光素子１２には、複数の電極が形成されており、搭載基板１１との間が半田等で電気的に接続されている。

波長変換部材１３は、発光素子１２から照射される一次光により励起されて二次光を発する蛍光体材料を含有する部材であり、一次光と二次光とが混色して白色光を外部に照射する。図１では、発光素子１２の光取り出し面に波長変換部材１３を接触して配置した例を示しているが、発光素子１２と波長変換部材１３とを離間させて配置するとしてもよい。

具体的な波長変換部材１３の構成は限定されないが、樹脂等の媒質に蛍光体粒子を分散させた構造や、蛍光体材料を焼結したセラミック蛍光体等を用いることができる。また、一次光として青色光を用いる場合には、波長変換部材１３に含有される蛍光体材料は、青色光で励起されて黄色光を発光するＹＡＧ(Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ)蛍光体等を用いることができる。ＹＡＧ蛍光体は、粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結してセラミック蛍光体が得られるため好ましい。

ここでは一次光と二次光の混色で白色光を照射する例を示したが、複数の蛍光体材料を備えて複数色の二次光を発光して二次光同士の混色によって白色光を照射するとしてもよい。また、照射する光として白色光の例を示したが、その他の単色光であってもよく、複数色を混色した白色以外の色であってもよい。

反射部材１４は、波長変換部材１３の側面に接触して配置された部材であり、一次光と二次光を反射し、少なくとも最表面が無機材料で構成されている。反射部材１４の具体的な構成は限定されないが、例えば媒質である無機材料中に光散乱粒子を分散させた構成が挙げられる。好ましい媒質としては、融点が５００℃程度の低融点ガラスや、２００℃以下で反応硬化してガラス質となるゾルゲルガラスが挙げられる。反射部材１４の媒質として低融点ガラスやゾルゲルガラスを用いることで、発光素子１２や波長変換部材１３、半導体発光装置１０の各部等に高温での処理による劣化が生じることを抑制することができる。

また、媒質中に分散される光散乱粒子としては、例えばＴｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。また、反射部材１４として白色のセラミックインク（低温焼成セラミック）を用いるとしてもよい。

反射部材１４の具体的な製造方法は限定されないが、例えばガラスフリットと酸化チタン粒子を混ぜて搭載基板１１上に配置し、加熱処理により溶融して硬化する方法が挙げられる。また、反応硬化型の場合には酸化チタン粒子を分散した液滴を搭載基板１１上に塗布するとしてもよい。

図１に示した例では、反射部材１４が波長変換部材１３の側面に接触した例を示しているが、波長変換部材１３の少なくとも一面に接触している構造であればよい。また、図１に示した例では、反射部材１４として搭載基板１１上に配置された一層のものを示しているが多層構造を有するとしてもよく、その場合には最表面を構成する最上層が無機材料で構成されていればよい。反射部材１４の少なくとも最表面が無機材料で構成されていることで、反射部材１４表面の熱や光による劣化が抑制され、耐湿性や機械的強度を確保することができる。

また、半導体発光装置１０の使用時に発熱によって熱応力が加わり、波長変換部材１３と反射部材１４との境界に機械的な劣化が生じる可能性がある。したがって、波長変換部材１３と反射部材１４との線膨張係数の差は、±５ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であることが好ましい。

上述したように、本実施形態の半導体発光装置１０では、反射部材１４の最表面が無機材料で構成されているため、反射部材１４の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材１４を接触して配置しても、反射部材１４の劣化を抑制することが可能となる。また、波長変換部材１３と反射部材１４との線膨張係数の差を±５ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲とすることで、熱応力による機械的な劣化を抑制することもできる。

（変形例）
図２は、半導体発光装置１０の変形例を示す模式図である。図２に示した変形例では、複数の発光素子１２の各々に個別に波長変換部材１３が設けられており、反射部材１４は複数の発光素子１２と波長変換部材１３の側面に接触して設けられている。

本変形例の半導体発光装置１０でも、反射部材１４の最表面が無機材料で構成されているため、反射部材１４の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材１４を接触して配置しても、反射部材１４の劣化を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図３は、本実施形態に係る半導体発光装置２０を示す模式図である。図３に示すように半導体発光装置２０は、搭載基板１１と、発光素子１２と、波長変換部材１３と、反射部材２１とを備えている。本実施形態では、反射部材２１が積層構造で形成されている点が第１実施形態と異なっている。

反射部材２１は、異なる材料で構成された第一層２２と、第二層２３とが積層された構造を有している。図３では、第一層２２と第二層２３とで四層構造を構成した例を示しているが、波長変換部材１３の最表面と同じ高さまで反射部材２１を形成するために、積層数はさらに多層であってよく、各層の膜厚に応じて適宜設定される。

第一層２２と第二層２３は、多層構造とすることで全体として白色となる材料の組み合わせであればよく、例えば第一層２２を酸化アルミニウムで構成し、第二層２３を酸化ケイ素で構成するものが挙げられる。第一層２２および第二層２３の形成方法としては、例えばスパッタ法やＡＬＤ法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いることができる。

図３に示した例では、反射部材２１の最上層を第二層２３としているが、最表面が無機材料であればよく、最上層が第一層２２となるように積層してもよい。また、反射部材２１の多層構造を構成する材料は二種類に限定されず、三種類以上の材料を用いて多層構造を構成するとしてもよい。また、最表面を構成する最上層に無機材料を用いればよく、下層に有機材料を用いるとしてもよい。

本実施形態の半導体発光装置２０でも、反射部材２１の最表面が無機材料で構成されているため、反射部材２１の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材２１を接触して配置しても、反射部材２１の劣化を抑制することが可能となる。また、反射部材２１を多層構造とすることで、各層の膜厚と積層数によって反射部材２１の膜厚を適切に設定することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態に係る半導体発光装置３０を示す模式図である。図４に示すように半導体発光装置３０は、搭載基板１１と、発光素子１２と、波長変換部材１３と、反射部材３１とを備えている。本実施形態では、反射部材３１が二層構造で形成されている点が第１実施形態と異なっている。

反射部材３１は、搭載基板１１上で発光素子１２と波長変換部材１３の側面に接触して充填された下層３２と、下層３２を覆って形成された上層３３で構成されている。また図４に示したように、上層３３は下層３２の上面に加えて側面も覆い、下層３２の表面が外部に露出しないように封止した構造を有することが好ましい。下層３２は、媒質として有機材料を用い、光散乱粒子が分散された白色樹脂で構成されている。上層３３は、少なくとも最表面が無機材料で構成されている。

下層３２を構成する有機材料は限定されず、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等を用いることができる。下層３２を有機材料で構成することで、搭載基板１１上で発光素子１２と波長変換部材１３の側面に厚い膜厚を形成することが容易となる。また上層３３は、例えば低融点ガラスやゾルゲルガラス、セラミックインク、酸化アルミニウムと酸化ケイ素の多層構造などを用いることができる。上層３３に低融点ガラスやゾルゲルガラスを用いる場合には、ＴｉＯ_２等の光散乱粒子をガラス中に分散することが好ましい。

本実施形態の半導体発光装置３０では、反射部材３１を有機材料の下層３２と無機材料の上層３３による積層構造とすることで、下層３２を厚く形成することが容易となり、反射部材３１の製造時間を短縮することが可能となる。また、反射部材３１の最表面を構成する上層３３が無機材料で構成されているため、反射部材３１の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材３１を接触して配置しても、反射部材３１の劣化を抑制することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る半導体発光装置４０を示す模式図である。本実施形態では、波長変換部材１３と反射部材１４の表面を平坦化する点が第１実施形態と異なっている。

図５（ａ）に示すように、搭載基板１１上に発光素子１２と波長変換部材１３を配置して、側面に反射部材１４を充填した後に硬化すると、反射部材１４が収縮して波長変換部材１３の間に凹部４１が形成されてしまう。反射部材１４の表面に凹部４１が存在すると、環境温度の変化等によって応力が集中して反射部材１４の劣化が進行する可能性がある。

そこで図５（ｂ）に示すように、反射部材１４の充填および硬化後に、波長変換部材１３と反射部材１４の表面を研削して平坦化を実施する。平坦化した後の半導体発光装置４０では、波長変換部材１３と反射部材１４の表面にはそれぞれ平坦化面４２，４３が形成されており、平坦化面４２，４３は互いに面一となっている。

本実施形態の半導体発光装置４０でも、反射部材１４の最表面が無機材料で構成されているため、反射部材１４の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材１４を接触して配置しても、反射部材１４の劣化を抑制することが可能となる。また、波長変換部材１３と反射部材１４の表面を平坦化しているため、反射部材１４への応力集中を防止して劣化を抑制することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図６は、本実施形態に係る半導体発光装置５０を示す模式図である。図６に示すように半導体発光装置５０は、搭載基板１１と、発光素子１２と、波長変換部材１３と、枠体５１と、反射部材５２とを備えている。本実施形態では、反射部材５２が下層５３と上層５４で構成され、上層５４が波長変換部材１３を覆って形成されている点が第１実施形態と異なっている。

枠体５１は、複数の発光素子１２および波長変換部材１３を囲むように搭載基板１１上に配置された部材である。枠体５１を構成する材料は特に限定されず、樹脂やセラミック、金属等を用いることができる。また、搭載基板１１上に材料を供給して枠体５１を形成するとしてもよく、予め別体で成形した枠体５１を搭載基板１１上に配置するとしてもよい。図６に示したように、枠体５１の高さは、発光素子１２と波長変換部材１３の合計厚さよりも大きいことが好ましい。枠体５１を波長変換部材１３の表面よりも高く形成することで、枠体５１の内側において波長変換部材１３を覆って上層５４を形成することができる。

枠体５１を金属製とした場合には、搭載基板１１上の枠体５１を搭載する領域に金属膜でランドを設けておき、半田材料等でランドと枠体５１を接合するとしてもよい。枠体５１を半田材料等で搭載基板１１に接合することで、枠体５１と搭載基板１１との接合強度を向上させることができるとともに、枠体５１と搭載基板１１との間から水分が侵入することを防止でき、下層５３の劣化を抑制することができる。

ここで、枠体５１を予め一体として形成するとしてもよいが、枠体５１を直交する二辺ずつに分割して形成しておき、搭載基板１１上に配置する際に位置合わせして矩形を構成するとしてもよい。枠体５１を一体で形成した場合には、枠体５１の大きさを予め決めておくことができる。また、枠体５１を複数の部分で構成しておく場合には、枠体５１の配置における自由度を高めて、発光素子１２や波長変換部材１３の位置精度や成形精度に応じて微調整を加えることも容易となる。

反射部材５２は、枠体５１の内側において搭載基板１１上で発光素子１２と波長変換部材１３の側面に接触して充填された下層５３と、下層５３および波長変換部材を覆って形成された上層５４で構成されている。下層５３は、媒質として有機材料を用い、光散乱粒子が分散された白色樹脂で構成されている。上層５４は、透明な無機材料で構成されている。上層５４には光散乱粒子を分散しないため、上層５４の膜厚は０．０１ｍｍ〜０．１０ｍｍ程度にまで薄型化することができ、スパッタ法等を用いて短時間で形成することが可能である。

下層５３を構成する有機材料は限定されず、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等を用いることができる。下層５３を有機材料で構成することで、搭載基板１１上で発光素子１２と波長変換部材１３の側面に厚い膜厚を形成することが容易となる。また上層５４は、例えば低融点ガラスやゾルゲルガラスなどを用いることができる。

上層５４を透明な無機材料で構成することで、波長変換部材１３および下層５３の全体を上層５４で覆っても一次光および二次光を外部に取り出すことができる。また、枠体５１と上層５４で、波長変換部材１３および下層５３の表面と側面を覆って封止することで、下層５３だけではなく波長変換部材１３の劣化も抑制することができる。

本実施形態の半導体発光装置５０でも、反射部材５２を有機材料の下層５３と無機材料の上層５４による積層構造とすることで、下層５３を厚く形成することが容易となり、反射部材５２の製造時間を短縮することが可能となる。また、反射部材５２の最表面を構成する上層５４が無機材料で構成されているため、反射部材５２の表面側で熱や光による劣化が抑制され、波長変換部材１３と反射部材５２を接触して配置しても、反射部材５２の劣化を抑制することが可能となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０，２０，３０，４０，５０…半導体発光装置
１１…搭載基板
１２…発光素子
１３…波長変換部材
１４，２１，３１，５２…反射部材
２２…第一層
２３…第二層
３２，５３…下層
３３，５４…上層
４１…凹部
４２，４３…平坦化面
５１…枠体

Claims (9)

1. 一次光を発光する発光素子と、
   前記一次光により励起されて二次光を発光する蛍光体材料を含有する波長変換部材と、
   前記波長変換部材の一面に接して配置され、前記一次光および前記二次光を反射する反射部材を備え、
   前記反射部材の最表面が無機材料で構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、
   前記反射部材は、ガラス材料に光散乱粒子が分散されたものであることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項２に記載の半導体発光装置であって、
   前記ガラス材料は、低融点ガラスまたはゾルゲルガラスであることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、
   前記反射部材は、セラミックインクで構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、
   前記反射部材は、酸化ケイ素と酸化アルミニウムの積層構造で構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の半導体発光装置であって、
   前記反射部材は、有機材料に光散乱粒子が分散された下層と、前記下層を覆って前記最表面を有する上層により構成されることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の半導体発光装置であって、
   前記最表面は平坦化面で構成されて、前記波長変換部材と面一に形成されていることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項６に記載の半導体発光装置であって、
   前記発光素子および前記波長変換部材を複数備え、
   前記複数の発光素子および前記波長変換部材を囲む枠体を備え、
   前記下層は、前記枠体の内側で前記発光素子および前記波長変換部材の側面を覆って形成されており、
   前記上層は、無機透明材料で構成されていることを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項１から８の何れか一つに記載の半導体発光装置であって、
   前記波長変換部材と前記反射部材との線膨張係数の差が、±５ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であることを特徴とする半導体発光装置。

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