JP2008235500A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鮮明であり、かつ輝度が高い白色光を出射することが可能な半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】光源として紫外線ＬＥＤ４ｕｖを備えており、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂを混色させることにより白色光Ｌｗを出射する半導体発光装置Ａ１であって、赤色光Ｌｒを出射する赤色光領域３ｒ、緑色光Ｌｇを出射する緑色光領域３ｇ、および青色光Ｌｂを出射する青色光領域３ｂが、白色光Ｌｗの出射方向に対して互いに並列に配置された構成とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤色光、緑色光、および青色光を混色することにより白色光を出射する半導体発光装置に関する。

図５は、従来の半導体発光装置の一例を示している（たとえば特許文献１参照）。同図に示された半導体発光装置Ｘは、基板９１、ケース９２、紫外線ＬＥＤ９３、および封止樹脂９４を備えている。基板９１は、絶縁材料からなる。ケース９２は、基板９１の中央寄り部分を囲う枠状とされており、たとえば白色樹脂からなる。紫外線ＬＥＤ９３は、紫外線を発光可能に構成されており、基板９１の中央に搭載されている。ケース９２の内側には、封止樹脂９４が設けられている。

封止樹脂９４は、紫外線ＬＥＤ９３を覆っており、赤色蛍光体樹脂９４ｒ、緑色蛍光体樹脂９４ｇ、および青色蛍光体樹脂９４ｂが積層された構造とされている。赤色蛍光体樹脂９４ｒは、紫外線によって励起されることにより赤色光を発光する蛍光体を含んでいる。緑色蛍光体樹脂９４ｇは、紫外線によって励起されることにより緑色光を発光する蛍光体を含んでいる。青色蛍光体樹脂９４ｂは、紫外線によって励起されることにより青色光を発光する蛍光体を含んでいる。紫外線ＬＥＤ９３から紫外線Ｌｕｖが発せられると、赤色蛍光体樹脂９４ｒ、緑色蛍光体樹脂９４ｇ、および青色蛍光体樹脂９４ｂが励起され、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂが出射される。これらの赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂが混色することにより、白色光Ｌｗとなる。

しかしながら、赤色光Ｌｒは、緑色蛍光体樹脂９４ｇおよび青色蛍光体樹脂９４ｂを透過する過程において、減衰することが避けられない。緑色蛍光体樹脂９４ｇを励起させる紫外線Ｌｕｖは、赤色蛍光体樹脂９４ｒを透過する間に減衰してしまう。また、緑色蛍光体樹脂９４ｇからの緑色光Ｌｇは、青色蛍光体樹脂９４ｂを透過することにより減衰する。さらに、青色蛍光体樹脂９４ｂを励起させるには、赤色蛍光体樹脂９４ｒおよび緑色蛍光体樹脂９４ｇを透過してきた紫外線Ｌｕｖが用いられる。このように、赤色蛍光体樹脂９４ｒ、緑色蛍光体樹脂９４ｇ、および青色蛍光体樹脂９４ｂは、それぞれから発せられた赤色光９４ｒ、緑色光９４ｇ、および青色光９４ｂに対して互いに影響を及ぼしあってしまう。このようなことでは、鮮明であり、かつ輝度が高い白色光Ｌｗを得ることは困難であった。

また、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および紫外線Ｌｕｖが適切に進行するためには、赤色蛍光体樹脂９４ｒ、緑色蛍光体樹脂９４ｇ、および青色蛍光体樹脂９４ｂどうしの界面を透過する必要がある。これらの界面に対して、臨界反射角よりも大きい入射角で入射した赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および紫外線Ｌｕｖは、全反射されてしまう。これは、半導体発光装置Ｘの出射効率が低下する原因となっていた。

特開２００４−２２８４６４号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、鮮明であり、かつ輝度が高い白色光を出射することが可能な半導体発光装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体発光装置は、光源として１以上の半導体発光素子を備えており、赤色光、緑色光、および青色光を混色させることにより白色光を出射する半導体発光装置であって、赤色光を出射する赤色光領域、緑色光を出射する緑色光領域、および青色光を出射する青色光領域が、白色光の出射方向に対して互いに並列に配置された構成とされていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記赤色光、上記緑色光、および上記青色光は、上記赤色光領域、上記緑色光領域、および上記青色光領域のうちそれぞれが出射された領域以外の領域を透過することがない。これにより、上記赤色光、上記緑色光、および上記青色光が不当に減衰されることを回避することが可能である。したがって、上記白色光の輝度を高めるとともに、上記白色光を鮮明なものとすることができる。また、上記赤色光領域、上記緑色光領域、および上記青色光領域どうしの界面は、上記赤色光、上記緑色光、上記青色光の進行方向に対して平行となる。このため、これらの界面によって上記赤色光、上記緑色光、上記青色が全反射されてしまうことがない。これは、上記半導体発光装置の出射効率を高めるのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記半導体発光素子は、紫外線を発光し、上記赤色光領域は、紫外線によって励起されることにより、赤色光を発する赤色蛍光体を含んでおり、上記緑色光領域は、紫外線によって励起されることにより、緑色光を発する緑色蛍光体を含んでおり、上記青色光領域は、紫外線によって励起されることにより、青色光を発する青色蛍光体を含んでいる。このような構成によれば、上記赤色光領域に混入する蛍光体の種類および量は、上記緑色光や上記青色光への影響を考慮することなく、上記半導体発光素子からの紫外線の波長や輝度などと、得ようとする上記赤色光の波長や輝度などとに基づいて決定することができる。同様に、上記緑色光領域および上記青色蛍領域に混入する蛍光体の種類および量についても、それぞれから得ようとする光の波長や輝度に基づいて独立して決定することができる。この結果、上記赤色光、上記緑色光、および上記青色光の波長および輝度を、混色によって上記白色光を生成するのに適したものとすることが可能である。また、比較的短波長である上記青色光が、上記赤色蛍光体および上記緑色蛍光体によって、比較的長波長である上記赤色光および緑色光に再変換されることがない。これは、上記白色光を鮮明にするのに好適である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記赤色光領域、上記緑色光領域、および上記青色光領域のそれぞれに一つずつ含まれる３つの上記半導体発光素子を備えており、上記３つの半導体発光素子は、いずれもＩｎＧａＮ系半導体からなる。このような構成によれば、上記３つの半導体発光素子は、効率よく発光させるのに適した順方向電圧がほとんど同じである。このため、上記半導体発光装置の発光を制御するためのデバイスは、ほとんど単一の電圧である電力を制御すれば足り、互いの電圧が大きく異なる電力を制御する必要がない。これは、上記デバイスの簡略化に適しており、コスト削減を図ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光装置の第１実施形態を示している。本実施形態の半導体発光装置Ａ１は、基板１、ケース２、３つの紫外線ＬＥＤ４ｕｖ、および封止樹脂５を備えている。半導体発光装置Ａ１は、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂを出射し、これらを混色することにより、白色光Ｌｗを発する構成とされている。

基板１は、たとえばガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなり、矩形状とされている。基板１には、紫外線ＬＥＤ４ｕｖに電力供給するための配線パターン（図示略）が形成されている。

ケース２は、基板１の中央寄り部分を囲う枠状とされており、たとえば白色樹脂によって形成されている。ケース２の内面は、基板１から離間するほど向かい合う内面との距離が大となる傾斜面とされている。

紫外線ＬＥＤ４ｕｖは、ＩｎＧａＮ系半導体からなる半導体発光素子であり、紫外線Ｌｕｖを発光するように構成されている。本実施形態においては、３つの紫外線ＬＥＤ４ｕｖが、基板１上のうちケース２に囲まれた部分に、互いに間隔を隔てて直列に配置されている。

封止樹脂５は、ケース２によって囲まれた領域に設けられており、３つの紫外線ＬＥＤ４ｕｖを覆っている。封止樹脂５は、赤色蛍光体樹脂５ｒ、緑色蛍光体樹脂５ｇ、および青色蛍光体樹脂５ｂからなる。

赤色蛍光体樹脂５ｒは、基板１の一端寄りに配置された紫外線ＬＥＤ４ｕｖを覆っている。赤色蛍光体樹脂５ｒには、紫外線Ｌｕｖによって励起されることにより赤色光Ｌｒを発する蛍光体が混入されている。このような蛍光体としては、たとえば付活剤としてユウロピウムを含む酸化イットリウムやその複合酸化物、あるいは付活剤としてユウロピウムを含むフッ化物蛍光体などが挙げられる。

緑色蛍光体樹脂５ｇは、中央にある紫外線ＬＥＤ４ｕｖを覆っている。緑色蛍光体樹脂５ｇには、紫外線Ｌｕｖによって励起されることにより緑色光Ｌｇを発する蛍光体が混入されている。このような蛍光体としては、付活剤として２価のマンガンおよびユウロピウムを含むアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体や、付活剤として３価のテルビウムおよびセリウムを含む希土類珪酸塩蛍光体などが挙げられる。

青色蛍光体樹脂５ｂは、基板１の他端寄りに配置された紫外線ＬＥＤ４ｕｖを覆っている。青色蛍光体樹脂５ｂには、紫外線Ｌｕｖによって励起されることにより青色光Ｌｂを発する青色蛍光体が混入されている。このような蛍光体としては、付活剤としてセリウム、ユウロピウム、マンガン、ガドリニウム、サマリウム、テルビウム、スズ、クロム、アンチモンを含むハロリン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、珪酸塩蛍光体などが挙げられる。

上述した構成により、半導体発光装置Ａ１には、赤色光領域３ｒ、緑色光領域３ｇ、および青色光領域３ｂが形成されている。赤色光領域３ｒは、赤色光Ｌｒを出射する領域であり、赤色蛍光体樹脂５ｒおよびこれに覆われた紫外線ＬＥＤ４ｕｖによって構成されている。緑色光領域３ｇは、緑色光Ｌｇを出射する領域であり、緑色蛍光体樹脂５ｇおよびこれに覆われた紫外線ＬＥＤ４ｕｖによって構成されている。青色光領域３ｂは、青色光Ｌｂを出射する領域であり、青色蛍光体樹脂５ｂおよびこれに覆われた紫外線ＬＥＤ４ｕｖによって構成されている。赤色光領域３ｒ、緑色光領域３ｇ、および青色光領域３ｂは、白色光Ｌｗの出射方向に対して、互いに並列に配置されている。

次に、半導体発光装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂは、赤色光領域３ｒ、緑色光領域３ｇ、および青色光領域３ｂのうちそれぞれが出射された領域以外の領域を透過することがない。これにより、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂが不当に減衰されることを回避することが可能である。したがって、白色光Ｌｗの輝度を高めるとともに、白色光Ｌｗを鮮明なものとすることができる。

また、赤色蛍光体樹脂５ｒ、緑色蛍光体樹脂５ｇ、および青色蛍光体樹脂５ｂどうしの界面は、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂの進行方向に対して平行となっている。これにより、これらの界面によって赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂが全反射されてしまうことがない。したがって、半導体発光装置Ａ１の出射効率を高めることができる。さらに、比較的短波長である青色光Ｌｂが、赤色蛍光体樹脂５ｒおよび緑色蛍光体樹脂５ｇによって比較的長波長である赤色光Ｌｒおよび緑色光Ｌｇに再変換されてしまうことがない。したがって、白色光Ｌｗを鮮明な白色とするのに適している。

赤色蛍光体樹脂５ｒに混入する蛍光体の種類および量は、紫外線ＬＥＤ４ｕｖからの紫外線Ｌｕｖの波長や輝度などと、得ようとする赤色光Ｌｒの波長や輝度などとに基づいて決定することができる。赤色蛍光体樹脂５ｒには、緑色光Ｌｇや青色光Ｌｂが入射しないため、これらの光への影響を考慮する必要はない。同様に、緑色蛍光樹脂５ｇおよび青色蛍光樹脂５ｂに混入する蛍光体の種類および量についても、それぞれから得ようとする光の波長や輝度に基づいて独立して決定することができる。この結果、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂの波長および輝度を、混色によって白色光Ｌｗを生成するのに適したものとすることが可能である。

３つの紫外線ＬＥＤ４ｕｖは、いずれもＩｎＧａＮ系半導体からなるため、効率よく発光させるのに適した順方向電圧がほとんど同じである。このため、半導体発光装置Ａ１の発光を制御するためのデバイスは、ほとんど単一の電圧である電力を制御すれば足り、互いの電圧が大きく異なる電力を制御する必要がない。これは、上記デバイスの簡略化に適しており、コスト削減を図ることができる。

図２〜図４は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図２は、本発明に係る半導体発光装置の第２実施形態を示している。本実施形態の半導体発光装置Ａ２は、緑色ＬＥＤ４ｇおよび青色ＬＥＤ４ｂを備える点、および封止樹脂５の構成が、上述した実施形態と異なっている。本実施形態においては、封止樹脂５は、赤色蛍光体樹脂５ｒと透明樹脂５ｔとからなる。緑色ＬＥＤ４ｇおよび青色ＬＥＤ４ｂは、ともにＩｎＧａＮ系半導体からなる。緑色ＬＥＤ４ｇは、緑色光Ｌｇを発光し、青色ＬＥＤ４ｂは、青色光Ｌｂを発光する。

緑色ＬＥＤ４ｇからの緑色光Ｌｇおよび青色ＬＥＤ４ｂからの青色光Ｌｂは、透明樹脂５ｔを透して波長変換されることなく半導体発光装置Ａ２外に出射される。すなわち、透明樹脂５ｔのうち緑色ＬＥＤ４ｇを覆う部分と緑色ＬＥＤ４ｇとによって緑色光領域３ｇが構成されており、透明樹脂５ｔのうち青色ＬＥＤ４ｂを覆う部分と青色ＬＥＤ４ｂとによって青色光領域３ｂが構成されている。

このような構成によっても、白色光Ｌｗの輝度を高め、白色光Ｌｗを鮮明なものとすることができる。緑色光Ｌｇと青色光Ｌｂとは、蛍光体による波長変換を経ないため、投入電力に対して得られる輝度が大きくなる。したがって、半導体発光装置Ａ２によれば、さらなる高輝度化、あるいは省電力化を図ることができる。

図３は、本発明に係る半導体発光装置の第３実施形態を示している。本実施形態の半導体発光装置Ａ３は、赤色ＬＥＤ４ｒ、緑色ＬＥＤ４ｇ、および青色ＬＥＤ４ｂを備える点、および封止樹脂５が透明樹脂５ｔのみによって構成されている点、が上述した第１実施形態と異なっている。赤色ＬＥＤ４ｒは、赤色光を発するものであり、本実施形態においては緑色ＬＥＤ４ｇおよび青色ＬＥＤ４ｂと同様に、ＩｎＧａＮ系半導体からなる。

一般に、緑色ＬＥＤ４ｇまたは青色ＬＥＤ４ｂを形成する際には、ＧａＮ結晶のｃ面を成長面として用い、ｃ軸を成長軸としてＩｎＧａＮを成長させる。このＩｎＧａＮには、ｃ軸方向にピエゾ電界が生じてしまう。このピエゾ電界は、電子と正孔との再結合確率を低下させる。これがＩｎＧａＮ系半導体によって赤色光の発光が困難とされる原因である。本実施形態の赤色ＬＥＤ４ｒは、たとえばＧａＮ結晶のｍ面と呼ばれる無極性面や、ｃ面に対して傾斜した半極性面を成長面として用いることにより形成される。このような形成手法は、比較的発光効率が高い赤色ＬＥＤ４ｒを得るのに適している。

このような実施形態によれば、蛍光体による波長変換を一切用いないため、赤色光Ｌｒ、緑色光Ｌｇ、および青色光Ｌｂの全ての発光効率を高めることが可能である。したがって、半導体発光装置Ａ３によれば、さらなる高輝度化、あるいは省電力化を図るのに好適である。

図４は、本発明に係る半導体発光装置の第４実施形態を示している。本実施形態の半導体発光装置Ａ４は、紫外線ＬＥＤ４ｕｖを１つだけ備える点が、上述した第１実施形態と異なっている。紫外線ＬＥＤ４ｕｖは、上述した実施形態に用いられた紫外線ＬＥＤ４ｕｖよりも格段にサイズが大とされている。そして、赤色蛍光体樹脂５ｒ、緑色蛍光体樹脂５ｇ、および青色蛍光体樹脂５ｂのそれぞれが、紫外線ＬＥＤ４ｕｖの一部ずつを覆っている。このような構成によっても、白色光Ｌｗの輝度を高め、白色光Ｌｗを鮮明なものとすることができる。

本発明に係る半導体発光装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る半導体発光装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光装置の第３実施形態を示す断面図である。 本発明に係る半導体発光装置の第４実施形態を示す断面図である。 従来の半導体発光装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ 半導体発光装置
Ｌｗ 白色光
Ｌｒ 赤色光
Ｌｇ 緑色光
Ｌｂ 青色光
Ｌｕｖ 紫外線
１ 基板
２ ケース
３ｒ 赤色光領域
３ｇ 緑色光領域
３ｂ 青色光領域
４ｕｖ 紫外線ＬＥＤ（半導体発光素子）
４ｒ 赤色ＬＥＤ（半導体発光素子）
４ｇ 緑色ＬＥＤ（半導体発光素子）
４ｂ 青色ＬＥＤ（半導体発光素子）
５ 封止樹脂
５ｒ 赤色蛍光体樹脂
５ｇ 緑色蛍光体樹脂
５ｂ 青色蛍光体樹脂
５ｔ 透明樹脂

Claims (3)

1. 光源として１以上の半導体発光素子を備えており、
   赤色光、緑色光、および青色光を混色させることにより白色光を出射する半導体発光装置であって、
   赤色光を出射する赤色光領域、緑色光を出射する緑色光領域、および青色光を出射する青色光領域が、白色光の出射方向に対して互いに並列に配置された構成とされていることを特徴とする、半導体発光装置。
2. 上記半導体発光素子は、紫外線を発光し、
   上記赤色光領域は、紫外線によって励起されることにより、赤色光を発する赤色蛍光体を含んでおり、
   上記緑色光領域は、紫外線によって励起されることにより、緑色光を発する緑色蛍光体を含んでおり、
   上記青色光領域は、紫外線によって励起されることにより、青色光を発する青色蛍光体を含んでいる、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 上記赤色光領域、上記緑色光領域、および上記青色光領域のそれぞれに一つずつ含まれる３つの上記半導体発光素子を備えており、
   上記３つの半導体発光素子は、いずれもＩｎＧａＮ系半導体からなる、請求項１または２に記載の半導体発光装置。

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