JP4971672B2

JP4971672B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4971672B2
Application number: JP2006121326A
Authority: JP
Inventors: 健一郎田中; 隆夫林; 圭一山崎; 洋二浦野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: JP2007103901A

Description

本発明は、発光装置に関するものである。

従来から、発光層の材料として窒化物系化合物半導体材料を採用したＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを収納する凹所が一表面に形成され凹所の内底面に対向する形でＬＥＤチップが実装された実装基板と、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光ピーク波長とは異なる発光ピーク波長の光（つまり、ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光）を放射する蛍光体を分散させた樹脂の成形品からなる平板状の波長変換部材（色変換部材）とを備え、ＬＥＤチップから放射された光と色変換部材で色変換された光との混色光が得られる発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１に記載されたＬＥＤチップは、青色ＬＥＤチップもしくは紫外ＬＥＤチップであって、発光層から放射される光に対して透明なサファイア基板からなる結晶成長用基板の一表面側にｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有する発光部がエピタキシャル成長技術を利用して形成されており、実装基板の凹所の内底面に発光部を対向させた形でフリップチップ実装することで、結晶成長用基板の他表面を光取り出し面としている。また、上記特許文献１に記載された発光装置では、色変換部材が実装基板の上記一表面側において凹所を閉塞する形で配設されており、ＬＥＤチップと色変換部材とが離間している。
特開２００５−２２８９９６号公報

ところで、ＬＥＤチップの発光層から放射される光は略等方的に放射されるが、上記特許文献１に記載された発光装置では、発光層から放射された光の一部が結晶成長用基板を通過せずに色変換部材に到達するので、結晶成長用基板を通過して色変換部材に入射する光と結晶成長用基板を通過せずに色変換部材に入射する光との光路長差が大きく、色変換部材における光入射面に入射する光の光強度が面内で均一にならず、色変換部材の場所によってＬＥＤチップからの光と蛍光体からの光との割合がばらついて、色むらが生じていた。また、上記特許文献１に記載された発光装置では、発光層から放射され結晶成長用基板を通過する光であっても、結晶成長用基板の上記他表面から出射される光と結晶成長用基板の側面から出射される光とで光強度差および光路長差が生じ、この光強度差および光路長差も色むらの原因となっていた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、色むらを低減できる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有する発光部が支持基板上に設けられ当該支持基板が発光層から放射された光に対して不透明なＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子の光取り出し面に重ねて配置されＬＥＤ素子から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射するシート状の色変換部材とを備えてなり、ＬＥＤ素子は、支持基板が導電性基板からなり、当該導電性基板が一方の電極を構成し、他方の電極が発光部に対して支持基板側とは反対側に発光部よりも小さなサイズで形成されてなり、色変換部材は、前記他方の電極の表面を露出させる露出部が形成されてなり、色変換部材における前記露出部が厚み方向に貫通する貫通孔であり、ＬＥＤ素子は、前記他方の電極の中央部に他の部位に比べて突出した突台部が設けられ、色変換部材が前記光取り出し面に重ねて配置された後で突台部の先端面に金属細線がボンディングされてなることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤ素子における支持基板が発光層から放射された光に対して不透明なので、発光層から放射された光が支持基板を通過して色変換部材へ到達するのを防止することができ、しかも、ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射するシート状の色変換部材がＬＥＤ素子の光取り出し面に重ねて配置されているので、色変換部材の光入射面に入射する光の光路長差を小さくすることができ、色変換部材における光入射面に入射する光の光強度が面内で略均一になるから、色むらを低減できる。また、色変換部材の平面サイズの小型化を図れるので、色変換部材の材料コストを低減でき、低コスト化を図れる。さらに、ＬＥＤ素子と色変換部材とで構成される光源のサイズがＬＥＤ素子の平面サイズと同等になるので、例えば、ＬＥＤ素子と色変換部材とで構成される光源から放射される光を集光レンズで集光するようにした場合のスポット径をより小さくすることが可能となる。また、この発明によれば、ＬＥＤ素子は、支持基板が導電性基板からなり、当該導電性基板が一方の電極を構成し、他方の電極が発光部に対して支持基板側とは反対側に発光部よりも小さなサイズで形成されてなり、色変換部材は、前記他方の電極の表面を露出させる露出部が形成されてなるので、色変換部材をＬＥＤ素子に重ねて配置した後で、他方の電極にボンディングワイヤをボンディングすることができる。また、この発明によれば、色変換部材における前記露出部が厚み方向に貫通する貫通孔であり、ＬＥＤ素子は、前記他方の電極の中央部に他の部位に比べて突出した突台部が設けられ、色変換部材が前記光取り出し面に重ねて配置された後で突台部の先端面に金属細線がボンディングされてなるから、前記他方の電極に電気的に接続される金属細線は前記他方の電極の中央部に設けられた突台部の先端面にボンディングされるので、色変換部材をＬＥＤ素子に対して接着剤により固着する際に接着剤が前記他方の電極における金属細線の接合面まで這い上がるのを防止でき、金属細線のボンディング不良を低減することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加した透光性樹脂の成形品からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤ素子の光取り出し面に、蛍光体を分散させた透光性樹脂を塗布する場合に比べて、蛍光体の濃度のばらつきを低減できて、色むらを低減できる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加したガラスの成形品からなることを特徴とする。

この発明によれば、請求項２の発明に比べて、前記色変換部材の耐熱性および耐湿性を高めることができ、信頼性が向上する。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加した半導体基板からなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体からなる蛍光体層を前記ＬＥＤ素子側の表面に被着したガラス基板からなることを特徴とする。

この発明によれば、請求項２の発明に比べて、前記色変換部材の耐熱性および耐湿性を高めることができ、信頼性が向上し、また、請求項２，３の発明に比べて色むらを低減できる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記ＬＥＤ素子は、前記光取り出し面に、前記発光層から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発光部における前記支持基板側とは反対に存在する媒質と前記発光部との屈折率差に起因した光の全反射を抑制することができ、光取り出し効率を高めることができるとともに、色むらをより低減できる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子側とは反対側の光出射面に全反射抑制用の凹凸構造が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部材の光出射面側に存在する媒質と前記色変換部材との屈折率差に起因した光の全反射を抑制することができ、光取り出し効率を高めることができるとともに、色むらをより低減できる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記ＬＥＤ素子は、前記他方の電極が前記発光層から放射された光に対して透明な透明電極であり、前記色変換部材は、前記露出部が厚み方向に貫通する貫通孔であり、当該貫通孔が、前記透明電極への金属細線のボンディング後に、前記色変換部材と同じ屈折率を有する材料からなる色変換部により封止されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層から放射され前記他方の電極へ向かった光が前記他方の電極を通過して色変換部に入射し色変換されるので、前記他方の電極に対応する部位が局所的に暗くなるのを防止しつつ色むらを低減することができる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記導電性基板は、金属基板からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層から前記導電性基板側へ放射された光を前記導電性基板である金属基板により反射することができ、光取り出し効率を高めることができる。

請求項１の発明では、色むらを低減できるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置は、図１に示すように、ｎ形半導体層３１と発光層３２とｐ形半導体層３３との積層構造を有する発光部３が矩形板状の導電性基板（本実施形態では、金属基板）２上に設けられ当該導電性基板２が発光層３２から放射された光に対して不透明なＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに重ねて配置されＬＥＤ素子１から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子１の発光ピーク波長とは異なる発光ピーク波長の光を放射するシート状の波長変換部材５と、ＬＥＤ素子１および波長変換部材５により構成されるＬＥＤユニットＡが一表面側に実装された矩形板状の実装基板１０とを備えている。ここにおいて、波長変換部材５は、ＬＥＤ素子１と略同じ平面サイズに形成されており、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａにシリコーン樹脂などの透光性材料を用いて固着されている。なお、本実施形態では、導電性基板２が支持基板を構成し、波長変換部材５が、ＬＥＤ素子１から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子１の発光色とは異なる色の光を放射する色変換部材を構成している。

ＬＥＤ素子１は、発光層３２の結晶材料としてＩｎＧａＮ系材料が採用され青色光を放射する青色ＬＥＤ素子であり、一方の電極（本実施形態では、アノード電極）を兼ねる導電性基板（本実施形態では、金属基板）２上に、ｐ形ＧａＮ系材料からなるｐ形半導体層３１とＩｎＧａＮ系材料からなる発光層３２とｎ形ＧａＮ系材料からなるｎ形半導体層３３との積層構造からなる発光部３が設けられ、発光部３の中央部上に他方の電極（本実施形態では、カソード電極）４が形成されている。要するに、上記他方の電極（以下、表面側電極と称す）４は、発光部３の平面サイズよりも小さなサイズに形成されている。ここにおいて、発光部３の平面形状は矩形状であり、表面側電極４の平面形状は円形状に形成されている。また、表面側電極４は、発光層３２から放射される光に対して透明な透明電極により構成されている。なお、ｐ形半導体層３１、発光層３２、ｎ形半導体層３３それぞれは、単層構造でもよいし、多層構造でもよい。

導電性基板２を構成する金属基板の材料としては、例えば、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｒｈ，Ｍｏなどの導電性および熱伝導性に優れた金属材料を採用すればよく、導電性基板２は、金属基板と当該金属基板上に形成された金属薄膜（例えば、Ｉｎ薄膜、Ｓｎ薄膜など）とで構成してもよい。また、導電性基板２は、例えば、Ｓｉ，ＧａＮ，ＳｉＣ，ＺｎＯなどの半導体材料からなる半導体基板と、当該半導体基板上に形成された金属薄膜（例えば、Ｉｎ薄膜、Ｓｎ薄膜など）とで構成してもよい。また、カソード電極４は、透明電極により構成されており、当該透明電極の材料としては、例えば、ＩＴＯ，ＳｎＯ_２，ＴｉＯ_２，ＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系材料などを採用すればよい。

ＬＥＤ素子１は、結晶成長用基板（例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板など）の一表面側に、ＧａＮ系材料からなるバッファ層、ｎ形半導体層３３、発光層３２、ｐ形半導体層３１をエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）によって順次成長させることで、結晶成長用基板の上記一表面側にｎ形半導体層３３と発光層３２とｐ形半導体層３１との積層構造を有する発光部３を形成し、その後、発光部３と金属基板２とを接合し、続いて、発光部３から結晶成長用基板を除去し、さらにその後、発光部３上に表面側電極４を形成すればよい。ここにおいて、発光部３から結晶成長用基板を除去するにあたっては、レーザ光を結晶成長用基板の他表面側から結晶成長用基板を通してバッファ層へ照射することでバッファ層を熱分解して結晶成長用基板を剥離し（なお、剥離時の基板温度は例えば３０℃〜１００℃の温度範囲で適宜設定すればよい）、その後、ｎ形半導体層３３の表面に残存しているＧａの塊を酸系の薬品によりエッチング除去すればよい。

なお、本実施形態では、発光部３の成長時に、ｎ形半導体層３３、発光層３２、ｐ形半導体層３１の順で成長させているが、ｐ形半導体層３１、発光層３２、ｎ形半導体層３３の順で成長させるようにしてもよく、この場合には、支持基板を構成する導電性基板２がカソード電極を兼ね、表面側電極４がアノード電極を構成することとなる。また、発光層３の結晶材料は、ＩｎＧａＮ系材料に限らず、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ系材料，ＡｌＩｎＮ系材料，ＡｌＧａＮ系材料などを採用してもよく、３族元素の組成比を適宜設定したり、あるいは、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅなどのｎ形不純物やＺｎ，Ｍｇなどのｐ形不純物を適宜ドーピングすることによって、発光色を所望の色に設定することが可能である。

また、上述の実装基板１０は、矩形板状の金属板１１上の絶縁層１２上にＬＥＤ素子１への給電用の導体パターン１３，１４が形成されており、ＬＥＤ素子１の一方の電極を兼ねる導電性基板２が一方の導体パターン１３と接合されて電気的に接続され、ＬＥＤ素子１の表面側電極４が金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ７を介して他方の導体パターン１４と電気的に接続されている。ここにおいて、ＬＥＤ素子１と導電性基板２とは、例えば、ＡｕＳｎ，ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田などを用いて接合すればよい。なお、本実施形態では、金属板１１の材料としてＣｕを採用しているが、金属板１１の材料は熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。

波長変換部材５は、ＬＥＤ素子１から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子１の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体（本実施形態では、ブロードな黄色系の光を放射する黄色蛍光体）を添加した透光性材料（例えば、シリコーン樹脂のような透光性樹脂）の成形品により構成してあり、厚みが略一定となっている。このような波長変換部材５を採用することで、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに、蛍光体を分散させた透光性樹脂を塗布する場合に比べて、蛍光体の濃度のばらつきを低減できて、色むらを低減できる。ここにおいて、波長変換部材５の材料として用いる透光性材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などの他の透光性樹脂でもよいし、ガラスなどを採用してもよく、ガラスを採用した場合には、透光性樹脂を採用している場合に比べて、波長変換部材５の耐熱性および耐湿性を高めることができ、信頼性が向上する。また、波長変換部材５は、蛍光体を添加した半導体基板（例えば、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板などのＬＥＤ素子１から放射される光に対して透明な半導体基板）でもよく、この場合にも耐熱性および耐湿性を高めることができ、信頼性が向上する。なお、黄色蛍光体としては、例えば、Ｂａ_２ＳｉＯ_４などのアルカリ土類珪酸塩系の蛍光体、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２などのアルミネート系の蛍光体、Ｃａ_２ＢＯ_３Ｃｌ_２などのファロボレート系の蛍光体などを採用すればよい。

上述のＬＥＤ素子１と波長変換部材５とで構成されるＬＥＤユニットＡは、ＬＥＤ素子１から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが波長変換部材５の光出射面を通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、ＬＥＤ素子１の発光色と蛍光体の発光色との組み合わせは特に限定するものではなく、例えば、波長変換部材５に用いる蛍光体は、黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを併用すれば演色性の高い白色光を得ることができる。また、ＬＥＤ素子１として、紫外光を放射するＬＥＤ素子を採用して、蛍光体として、赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体とを併用するようにしても白色光を得ることができる。

ところで、波長変換部材５は、ＬＥＤ素子１の表面側電極４を露出させる露出部として厚み方向に貫通する貫通孔５ａが形成されている。貫通孔５ａの開口形状は表面側電極４の平面形状よりもやや大きな円形状となっている。ここにおいて、波長変換部材５の厚みは表面側電極４の厚みよりも厚くなっており、ＬＥＤ素子１に波長変換部材５が重ねて配置されたＬＥＤユニットＡは、表面側電極４へのボンディングワイヤ７のボンディング後に、波長変換部材５と同じ蛍光体を分散させた透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）からなる色変換部６により貫通孔５ａが封止されている。したがって、本実施形態の発光装置では、色変換部６から出射される光も波長変換部材５から出射される光と同様の白色光となり、表面側電極４に対応する部位が局所的に暗くなるのを防止しつつ色むらを低減することができる。ここで、色変換部６は、色変換部材たる波長変換部材５と同じ屈折率を有する材料により形成することが望ましい。ただし、色変換部６の屈折率について、波長変換部材５と同じ屈折率とは、色変換部６の屈折率が波長変換部材５の屈折率と完全に一致する場合に対して、反射損失が０．１％以内に収まる範囲内の屈折率であれば、波長変換部材５と同じ屈折率とみなすこととする。例えば、波長変換部材５の屈折率が１．５であり、色変換部６の屈折率が１．４３４〜１．５６６の範囲内（つまり、目的の屈折率±４．４％の範囲内）であれば、波長変換部材５と色変換部６との１つの界面での反射損失を０．０５％以内とすることができ、２つの界面での合計の反射損失を０．１％以内とすることができる。なお、上述のようにＬＥＤユニットＡが実装基板１０に実装された発光装置では、導体パターン１３−導電性基板２−発光部３−表面側電極４−ボンディングワイヤ７−導体パターン１４の電路が形成されることとなるので、ＬＥＤ素子１のアノード電極とカソード電極との間に順方向バイアス電圧が印加されるように導体パターン１３，１３間に電圧を印加することにより、ＬＥＤ素子１から青色光が放射され、波長変換部材５および色変換部６それぞれから青色光と黄色光とが出射されることとなる。

以下、上述の発光装置の製造方法について図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図２（ａ）に示すようにＬＥＤ素子１と波長変換部材５とを用意し、その後、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａ上にゲル状のシリコーン樹脂からなる接着剤を滴下してから、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａ側に波長変換部材５を重ねて配置してＬＥＤ素子１と波長変換部材５とを固着することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

その後、ＬＥＤユニットＡを実装基板１０上（本実施形態では、上述の導体パターン１３上）に固着してから、ＬＥＤ素子１の表面側電極４と実装基板１０の導体パターン１４とをボンディングワイヤ７を介して電気的に接続することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

続いて、波長変換部材５の貫通孔５ａに波長変換部材５と同じ蛍光体を添加した透光性材料を充填して当該透光性材料を硬化させることで色変換部６を形成することによって、図２（ｄ）に示す構造の発光装置を得る。

以上説明した本実施形態の発光装置では、ＬＥＤ素子１における導電性基板２が発光層３２から放射された光に対して不透明なので、発光層３２から放射された光が導電性基板２を通過して波長変換部材５へ到達するのを防止することができ、しかも、シート状の波長変換部材５がＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに重ねて配置されているので、波長変換部材５の光入射面に入射する光の光路長差を小さくすることができ、波長変換部材５における光入射面に入射する光の光強度が面内で略均一になるから、色むらを低減できる。また、波長変換部材５は、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａの直上のみに設けてあればよく、ＬＥＤ素子１の平面サイズと同じサイズでよいから、上記特許文献１のように実装基板の凹所を閉塞する平面サイズの波長変換部材に比べて、波長変換部材５の平面サイズの小型化を図れるので、波長変換部材５の材料コストを低減でき、低コスト化を図れるという利点もある。また、本実施形態の発光装置では、上述の導電性基板２が金属基板により構成されているので、発光層３２から放射された導電性基板２側へ放射された光を発光部３直下の導電性基板２により反射することができ、光取り出し効率を高めることができる。また、本実施形態の発光装置では、ＬＥＤ素子１と波長変換部材５とで構成される光源のサイズがＬＥＤ素子１の平面サイズと同等になるので、例えば、ＬＥＤ素子１と波長変換部材５とで構成される光源から放射される光を集光レンズで集光するようにした場合のスポット径をより小さくすることが可能となる。

また、本実施形態の発光装置では、実装基板１０の上記一表面側でＬＥＤユニットＡおよびＬＥＤユニットＡに電気的に接続されたボンディングワイヤ７を封止した封止材料（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂など）からなる凸レンズ状のレンズ部を設けるようにしてもよく、当該レンズ部を設けることにより光取り出し効率を高めることが可能となる。ここにおいて、封止材料は、ＬＥＤユニットＡから放射される光に対して透明で波長変換部材５の屈折率と同等の屈折率を有する材料が好ましく、このような材料を採用することにより、波長変換部材５とレンズ部との界面で反射する光を低減でき、光取り出し効率を向上させることができる。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに、発光層３２から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造が形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。

ここにおいて、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに形成する微細凹凸構造は、発光部３の厚み方向に沿った深さ方向において開口幅が徐々に狭くなった断面Ｖ字状の凹部が１次元周期構造を有するように形成されているが、２次元周期構造を有するように形成してもよい。なお、このような微細凹凸構造は、例えば、レーザ加工技術やエッチング技術やインプリントリソグラフィ技術などを利用して形成すればよい。

ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに形成する微細凹凸構造の周期は、発光部３の発光層３２にて発光する光のピーク波長λの１／４〜１００倍の範囲で適宜設定すればよく、例えば、微細凹凸構造の周期ｄ（図３（ｂ）参照）をλ／４〜λの範囲で設定した場合には、発光部３におけるｎ形半導体層３３からなる第１の媒質（ここでは、ｎ形ＧａＮ系材料）の屈折率をｎ_１、ｎ形半導体層３３に接する第２の媒質（ここでは、発光部３と波長変換部材５との間に介在しているシリコーン樹脂からなる接着層）の屈折率をｎ_２とし、図３（ｂ）の左右方向における第１の媒質の幅をａ、第２の媒質の幅をｂ、ＴＥ波に対する微細凹凸構造付近での有効屈折率を＜ｎ_Ｅ＞とすれば、微細凹凸構造付近での有効屈折率＜ｎ_Ｅ＞は下記の式で表すことができる。

同様に、ＴＭ波に対する微細凹凸構造付近での有効屈折率を＜ｎ_Ｍ＞とすれば、有効屈折率＜ｎ_Ｍ＞は下記の式で表すことができる。

ここで、上述の数１、数２から分かるように、本実施形態のＬＥＤユニットＡでは、上述の各有効屈折率＜ｎ_Ｅ＞，＜ｎ_Ｍ＞が、微細凹凸構造付近では発光部３の厚み方向に沿って徐々に変化することとなり、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａの両側の媒質の中間の値となるので、第１の媒質と第２の媒質との間に両者の中間の屈折率を有する薄膜層を介在させるのと同等となり、第１の媒質と第２の媒質との屈折率差に起因した全反射を低減することができ、光取り出し効率を高めることが可能となる。

また、微細凹凸構造の周期ｄを例えば２λ〜４λの範囲で設定した場合には、波動光学的な効果、つまり、回折光を用いることにより臨界角以上の反射される光を取り出すことができ光の取り出し効率が向上する。

また、微細凹凸構造の周期ｄを例えば５λ〜１００λの範囲で設定した場合には、幾何学的な効果、つまり、第１の媒質と第２の媒質との界面への入射角が臨界角未満となる表面の広面積化により、第１の媒質と第２の媒質との屈折率差に起因した全反射を低減することができ、光取り出し効率が向上する。

しかして、本実施形態の発光装置では、上述のように、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに、発光層３２から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造が形成されているので、発光部３における導電性基板２側とは反対に存在する媒質（上記第２の媒質）と発光部３におけるｎ形半導体層３３（上記第１の媒質）との屈折率差に起因した光の全反射を抑制することができ、光取り出し効率を高めることができるとともに、色むらをより低減できる。また、ｎ形半導体層３３における表面側電極４の形成部位にも微細凹凸構造を形成しておけば、ｎ形半導体層３３と透明電極からなる表面側電極４との屈折率差に起因した全反射を低減でき、光取り出し効率を高めることができるとともに、色むらをより低減できる。

なお、図４に示すように、波長変換部材５におけるＬＥＤ素子１側に、ＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに形成された微細凹凸構造に合致する形状の微細凹凸構造を形成してもよい。ここで、波長変換部材５に微細凹凸構造を形成するには、例えば、レーザ加工技術やインプリントリソグラフィ技術などを利用すればよい。また、波長変換部材５におけるＬＥＤ素子１側とは反対側の表面（光出射面）が接する媒質と波長変換部材５とに屈折率差がある場合には、波長変換部材５におけるＬＥＤ素子１側とは反対側の表面に同様の微細凹凸構造（全反射抑制用の凹凸構造）を形成することにより、光取り出し効率を高めることができる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図５に示すように、表面側電極４の中央部に他の部位に比べて突出した突台部４ｂが設けられ、突台部４ｂの先端面に金属細線からなるボンディングワイヤ７がボンディングされている点が相違する。ここで、本実施形態における表面側電極４は、透明電極４ｂと、透明電極４ｂの中央部上に形成された導電膜（例えば、Ａｌ膜、透明導電膜など）からなる突台部４ｂとで構成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１や実施形態２の発光装置では、表面側電極４が透明電極により構成され、当該透明電極の表面がボンディングワイヤ７の接合面となっているが、色変換部材たる波長変換部材５をＬＥＤ素子１に対して接着剤により固着する際に接着剤が表面側電極４の表面（ボンディングワイヤ７の接合面）まで這い上がって当該表面が接着剤により汚染されてしまう可能性があり、表面側電極４におけるボンディングワイヤ７の接合面が汚染されるとボンディング不良による歩留まり低下の原因になる。

これに対して、本実施形態の発光装置では、表面側電極４に電気的に接続されるボンディングワイヤ７が表面側電極４の中央部に設けられた突台部４ｂの先端面にボンディングされるので、波長変換部材５をＬＥＤ素子１に対して接着剤により固着する際に接着剤が表面側電極４におけるボンディングワイヤ７の接合面まで這い上がるのを防止でき、ボンディングワイヤ７のボンディング不良を低減することができる。なお、表面側電極４は、２層構造に限らず、単層構造で凸状の形状に加工したものでもよい。

（実施形態４）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図６に示すように、実装基板１０の構造や、実装基板１０の一表面側でＬＥＤユニットＡおよびＬＥＤユニットＡに電気的に接続されたボンディングワイヤ７，７を封止した封止材料（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂など）からなる凸レンズ状のレンズ部２０を備えている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における実装基板１０は、熱伝導性材料からなりＬＥＤユニットＡが熱応力緩和用のサブマウント部材４０を介して実装される矩形板状の伝熱板１５と、伝熱板１５の一面側（図６における上面側）に積層される矩形板状の配線基板１６とで構成されている。ここにおいて、配線基板１６は、伝熱板１５側とは反対の表面側にＬＥＤユニットＡへの給電用の一対のリードパターン１７，１８が設けられるとともにサブマウント部材４０に対応する部位に厚み方向に貫通する矩形状の窓孔１６ａが形成されており、ＬＥＤユニットＡのＬＥＤ素子１および波長変換部材５で発生した熱が配線基板１６を介さずにサブマウント部材４０および伝熱板２１に伝熱されるようになっている。上述の熱伝導性材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。また、配線基板１６の絶縁性基材としては、ＦＲ４を用いたガラスエポキシ基板を採用しており、各リードパターン１７，１８は、上記ガラスエポキシ基板の一表面側に形成されたＣｕ膜とＮｉ膜とＡｇ膜との積層膜により構成されている。なお、配線基板１６の他表面側には反り防止用金属膜１９が形成されており、伝熱板１５と配線基板１６とは、シート状の接着フィルム（図示せず）を用いて固着されているが、反り防止用金属膜１６および伝熱板１５それぞれの材料がＣｕの場合には、接着フィルムを用いずに固着することも可能である。また、配線基板１６の絶縁性基材の材料は、ＦＲ４のようなガラスエポキシ樹脂に限らず、例えば、ポリイミド系樹脂や、フェノール樹脂などでもよい。

また、ＬＥＤユニットＡは、導電性基板２の平面サイズよりも大きな平面サイズの矩形板状に形成されＬＥＤユニットＡと伝熱板１５との線膨張率の差に起因してＬＥＤユニットＡに働く応力を緩和する上述のサブマウント部材４０を介して伝熱板１５に実装されている。

サブマウント部材４０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤユニットＡで発生した熱を伝熱板１５においてＬＥＤユニットＡの平面サイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材４０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤ素子１の上記一方の電極を兼ねる導電性基板２と接合されて電気的に接続される導体パターン４１が形成されている。しかして、ＬＥＤユニットＡは、導電性基板２がサブマウント部材４０に設けられた導体パターン４１およびボンディングワイヤ７を介して一方のリードパターン１７と電気的に接続され、表面側電極４が別のボンディングワイヤ７を介して他方のリードパターン１８と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤユニットＡの導電性基板２とサブマウント部材４０とは、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。なお、サブマウント部材４０の厚み寸法は、導体パターン４１の表面が配線基板１６の上記一表面よりも伝熱板１５から離れるように設定してある。

また、本実施形態におけるＬＥＤ素子１は、表面側電極４がＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、発光部３の周部に形成されている。一方、色変換部材たる波長変換部材５は、表面側電極４に対応する部位に、ＬＥＤ素子１の表面側電極４を露出させる露出部として切欠部５ｃが形成されている。したがって、本実施形態においても、ＬＥＤ素子１にシート状の波長変換部材５を重ねて配置した後で、表面側電極４にボンディングワイヤ７をボンディングすることができる。なお、発光部３の周部に形成されている表面側電極４は、ＬＥＤ素子１のカソード電極のうちパッドとなる部分のみであり、パッド以外に、発光部３に流れる電流の電流密度の面内均一性を高めるための電流拡散用パターン部を発光部３の表面に設けることによって、色ばらつきのより一層の低減を図れる。

以上説明した本実施形態の発光装置では、実施形態１と同様に、ＬＥＤ素子１における導電性基板２が発光層３２から放射された光に対して不透明なので、発光層３２から放射された光が導電性基板２を通過して波長変換部材５へ到達するのを防止することができ、しかも、シート状の波長変換部材５がＬＥＤ素子１の光取り出し面１ａに重ねて配置されているので、波長変換部材５の光入射面に入射する光の光路長差を小さくすることができ、波長変換部材５における光入射面に入射する光の光強度が面内で略均一になるから、色むらを低減できる。

また、本実施形態の発光装置では、ＬＥＤユニットＡで発生した熱が配線基板１６を介さずにサブマウント部材４０および伝熱板２１に伝熱されるので、実施形態１に比べて放熱性が向上し、ＬＥＤ素子１のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。また、波長変換部材５における蛍光体の温度上昇も抑制されるから、蛍光体の発光効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態の発光装置では、上述の実装基板１０の一表面側でＬＥＤユニットＡおよびボンディングワイヤ７，７を封止した凸レンズ状のレンズ部２０を備えているので、光取り出し効率をより高めることができる。

なお、本実施形態の発光装置においても、実施形態２にて説明した微細凹凸構造を適宜設けてもよい。また、実施形態１〜３においても本実施形態の発光装置と同様のレンズ部２０を設けてもよい。

（実施形態５）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態４と略同じであり、図７に示すように、シート状の色変換部材たる波長変換部材５が、ＬＥＤ素子１から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子１の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体からなる蛍光体層５２をＬＥＤ素子１側の表面に被着したガラス基板５１により構成されている点が相違する。ここで、蛍光体層５２は、例えば、ガラス基板５１の上記表面にスパッタ法などにより形成すればよい。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の発光装置では、実施形態１のように波長変換部材５が蛍光体を添加した透光性樹脂の成形品により構成されている場合に比べて、波長変換部材５の耐熱性および耐湿性を高めることができ、信頼性が向上する。また、実施形態１〜４のように透光性材料に蛍光体を添加してある場合に比べて、色むらを低減できる。

なお、本実施形態の発光装置においても、実施形態２にて説明した微細凹凸構造を適宜設けてもよい。

実施形態１における発光装置の概略断面図である。同上における発光装置の製造方法の説明図である。実施形態２における発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部説明図である。同上の他の構成例の要部断面図である。実施形態３における発光装置の概略断面図である。実施形態４における発光装置の概略断面図である。実施形態５における発光装置の概略断面図である。

符号の説明

１ＬＥＤ素子
１ａ光取り出し面
２導電性基板（支持基板）
３発光部
４電極（表面側電極）
４ａ透明電極
４ｂ突台部
５波長変換部材（色変換部材）
５ａ貫通孔（露出部）
６色変換部
７ボンディングワイヤ（金属細線）
１０実装基板
１３導体パターン
１４導体パターン
３１ｐ形半導体層
３２発光層
３３ｎ形半導体層
ＡＬＥＤユニット

Claims

ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有する発光部が支持基板上に設けられ当該支持基板が発光層から放射された光に対して不透明なＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子の光取り出し面に重ねて配置されＬＥＤ素子から放射された光によって励起されてＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射するシート状の色変換部材とを備えてなり、ＬＥＤ素子は、支持基板が導電性基板からなり、当該導電性基板が一方の電極を構成し、他方の電極が発光部に対して支持基板側とは反対側に発光部よりも小さなサイズで形成されてなり、色変換部材は、前記他方の電極の表面を露出させる露出部が形成されてなり、色変換部材における前記露出部が厚み方向に貫通する貫通孔であり、ＬＥＤ素子は、前記他方の電極の中央部に他の部位に比べて突出した突台部が設けられ、色変換部材が前記光取り出し面に重ねて配置された後で突台部の先端面に金属細線がボンディングされてなることを特徴とする発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加した透光性樹脂の成形品からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加したガラスの成形品からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を添加した半導体基板からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子から放射された光によって励起されて前記ＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体からなる蛍光体層を前記ＬＥＤ素子側の表面に被着したガラス基板からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記ＬＥＤ素子は、前記光取り出し面に、前記発光層から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤ素子側とは反対側の光出射面に全反射抑制用の凹凸構造が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記ＬＥＤ素子は、前記他方の電極が前記発光層から放射された光に対して透明な透明電極であり、前記色変換部材は、前記露出部が厚み方向に貫通する貫通孔であり、当該貫通孔が、前記透明電極への金属細線のボンディング後に、前記色変換部材と同じ屈折率を有する材料からなる色変換部により封止されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記導電性基板は、金属基板からなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光装置。