JP2014132677A

JP2014132677A - 発光装置

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Publication number: JP2014132677A
Application number: JP2014043992A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Ichikawa; 将嗣市川
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: JP6024685B2

Abstract

【課題】色むらと光取り出し効率の両方を同時に改善可能な発光装置の提供。
【解決手段】収納器の底面上に、透光性の支持部材３２を介して、第１の波長変換部材２４と、発光素子２０と、第２の波長変換部材２６とが、順次凹部１６ａの開口に向かって、凹部の側面から離間するように形成されている。第１の波長変換部材は、無機材料から成る無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材であり、凹部の側面には、少なくとも第１の波長変換部材の側面から第１の波長変換部材の主面に対して平行に出射した光が照射される部分に散乱面１８が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の発光を一部波長変換してもとの光と混色することにより、異なる色の発光を可能とする発光装置に関する。

発光ダイオード等の半導体発光素子は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体発光素子は球切れ等の心配がなく、初期駆動特性に優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。また、半導体発光素子の発光と、これに励起されて異なる波長の光を発光できる波長変換部材とを組み合わせることで、光の混色の原理により、多様な色の光を出射可能な発光装置が開発されている。このような発光装置は、各種の光源として利用されている。特に近年は、蛍光灯に代わる低消費電力で長寿命の次世代照明として注目を集めており、更なる発光出力の向上及び発光効率の改善が求められている。また、車のヘッドライトなどの投光器、投光照明のように、高輝度な光源も求められている。

このような発光装置について、特許文献１には、図９（ａ）及び（ｂ）に示す構造が提案されている。図９（ａ）に示される発光半導体チップ組立体７２は、蛍光体チップ７４の上に透明な接着剤７６を介して発光ダイオードチップ７８を固着して構成されている。蛍光体チップ７４は、シリカやアルミナなどの透明物質若しくは光反射性の良い不透明物質から成る基板８０の上に蛍光体層８２を有している。蛍光体層８２は、樹脂中に蛍光体を分散して構成されている。図９（ｂ）は、この発光半導体チップ組立体７２を用いて構成した発光装置９２の断面図を示している。発光装置９２は、アノードリード８８とカソードリード９０を備え、カソードリード９０の先端に設けられたカップ部９０ａに発光半導体チップ組立体７２が固着されている。発光半導体チップ組立体７２のアノード電極８４、カソード電極８６は、各々、アノードリード８８、カソードリード９０に接続されている。また、発光半導体チップ組立体７２の周囲は、光散乱剤９４を分散した保護接着剤９６で覆われている。

特開２００２−１４１５５９

図９（ａ）及び（ｂ）に示した発光装置によれば、発光ダイオードチップ７８の裏面に蛍光体チップ７４が固着されているため、発光ダイオードチップ７８の裏面をカソードリードのカップ部９０ａに直接接着する構造に比べて光出力が増大する。これは次の理由による。発光ダイオードチップ７８の裏面をカソードリードのカップ部９０ａに銀ペースト等で直接接着した場合、発光ダイオードチップ７８の裏面から出射する光は銀ペーストで反射することになるが、銀ペーストは反射率が高くなく、また反射した光の多くは発光ダイオードチップ７８の内部に戻って吸収されてしまうため、光出力が低下してしまう。発光ダイオードチップ７８の裏面に蛍光体チップ７４を接着することにより、発光ダイオードチップ７８の裏面から出射した光が発光ダイオードチップ７８の内部に戻る割合が減少し、蛍光体チップ７４を通じて効率よく外部に取り出されるため、光出力が向上する。また、保護接着剤９６に分散された光散乱剤９４の効果により、発光ダイオードチップ７８と蛍光体チップ７４の発光が混色され、色むらが抑制される。

しかし、このような従来の発光装置では、色むらと発光出力の両方を十分に満足する発光装置を得ることが困難という問題があった。即ち、図９（ａ）及び（ｂ）に示したような発光装置では、発光ダイオードチップ７８の下方にのみ波長変換用の蛍光体層８２が存在するため、発光ダイオードチップ７８の発光の下面から出射する光は蛍光体チップ７４の蛍光体層８２を通過するが、発光ダイオードチップ７８の上面や側面から出射する光は蛍光体層８２を通過しない。このため色むらが生じ易い。発光ダイオードチップ７８と蛍光体チップ７４の発光を混色して色むらを十分抑制するためには、発光ダイオードチップ７８と蛍光体チップ７４の周囲に光散乱剤９４を多量に分散させる必要がある。ところが、発光ダイオードチップ７８の周囲に光散乱剤９４が多量に分散されていると、光散乱剤９４によって散乱された光が発光ダイオードチップ７８の内部に戻り易くなり、発光ダイオードチップ７８の内部で吸収される光の割合が増加してしまう。また、図９（ａ）及び（ｂ）のような発光装置において、発光ダイオードチップ７４の周囲を全て蛍光体層８２で覆うことも考えられるが、蛍光体層８２中に含まれる蛍光体粒子の散乱によっても発光ダイオードチップ７８への戻り光が生じるため、やはり発光ダイオードチップ７８の内部で吸収される光が増加してしまう。従って、色むらを改善しようとすると光取り出し効率が低下してしまい、色むらと光取り出し効率を同時に改善することが困難であった。

そこで本件発明は、色むらと光取り出し効率の両方を同時に改善可能な新たな発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本件発明の発光装置は、上面が開口した凹部を有する収納器中に、半導体を発光層とする発光素子と、前記発光素子の発光の一部を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材とを備え、前記発光素子の発光と前記波長変換部材の発光とを混合して前記凹部の開口から出射する発光装置であって、
前記波長変換部材は、第１の波長変換部材と第２の波長変換部材とを有し、
前記収納器の底面上に、透光性の支持部材を介して、前記第１の波長変換部材と、発光素子と、前記第２の波長変換部材とが、順次前記凹部の開口に向かって、前記凹部の側面から離間するように形成され、
前記第１の波長変換部材は、無機材料から成る無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材であり、
前記凹部の側面には、少なくとも前記第１の波長変換部材の側面から第１の波長変換部材の主面に対して平行に出射した光が照射される部分に散乱面が形成されていることを特徴とする。

本件発明によれば、収納器の底面上に、透光性の支持部材を介して、第１の波長変換部材と、前記発光素子と、第２の波長変換部材とを順次形成したため、発光素子の下方から効率よく光を取り出せる。また、発光素子の下方に無機バインダーと蛍光体から成る第１の波長変換部材を形成し、上方に第２の波長変換部材を設けることで、光取り出し効率を高く維持しながら色むらの発生を抑制することができる。即ち、発光素子の下側に位置する第１の波長変換部材は、無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材とするが、無機バインダーと蛍光体の屈折差は比較的小さいため、第１の波長変換部材を通過する光はあまり散乱されない。このため、上記図９（ａ）及び（ｂ）に示したような樹脂と蛍光体粒子から成る蛍光体層８２と異なり、第１の波長変換部材内での散乱による発光素子への戻り光は少ない。一方で、板状の第１の波長変換部材の内部で光が横方向に伝播しやすく、第１の波長変換部材の端面で強く発光する傾向にあるため、それによる色むらを生じ易い。そこで凹部の側面のうち、少なくとも第１の波長変換部材の側面から第１の波長変換部材の主面に対して平行に出射した光が照射される部分に散乱面を形成することにより、第１の波長変換部材によって生じる色むらを抑制することができる。第１の波長変換部材や発光素子は、散乱面を形成する凹部側面からは離間して形成されているため、この散乱面による発光素子への戻り光は比較的小さい。本件発明では、これらの効果により光取り出し効率を高く維持しながら色むらが改善された発光装置を提供することができる。

図１は、本件発明の実施の形態１に係る発光装置を示す模式断面図である。図２は、図１の発光装置に用いる発光素子の一例を示す模式断面図である。図３は、凹部と発光層の関係を示す模式図である。図４は、図１に示す発光装置における光の進行方向を示す模式図である。図５は、本件発明の実施の形態１に係る発光装置の一例を示す模式的な斜視図である。図６は、本件発明の実施の形態１に係る発光装置の一例を示す模式的な上面図である。図７は、本件発明の実施の形態２に係る発光装置を示す模式断面図である。図８は、本件発明の実施の形態３に係る発光装置を示す模式断面図である。図９（ａ）及び（ｂ）は、従来の発光装置を示す模式断面図である。

以下、本件発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は模式図であり、そこに示された配置、寸法、比率、形状等は実際と異なる場合がある。また、各実施形態において他の実施形態と同一の符号を用いた部材は、同一又は対応する部材を表しており、説明を省略する場合がある。

本件明細書において、「上」、「下」という用語は、発光装置の発光を取り出す側とその逆側を指す用語としても用いる。例えば、「上方」は、発光装置の発光を取り出す方向を指し、「下方」は、その逆の方向を指す。また、「上面」とは発光装置の発光を取り出
す側にある面を指し、「下面」とはその逆側の面を指す。発光装置に関する「内」という用語は、発光素子の発光層に近い側を指し、「外」という用語は、その逆側を指す。また、本件明細書において「透光性」とは、発光素子の発光波長における透過率が１０％以上あることを指す。光が「混合」するとは、異なる色度を持った２種類の光が、新たな色度を持つ光として人間の目に認識されるように空間的に混じり合うことを言う。本件発明における「屈折率」とは、発光素子の発光波長における屈折率を指す。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光装置１０を示す模式断面図である。発光素子２０と、発光素子２０の発光の一部を吸収して異なる波長に変換する波長変換部材３０とが、パッケージ１６（収納器）に収納されている。本実施の形態におけるパッケージ１６は、平板状の絶縁部材に配線を形成した実装基板１２とその実装基板１２の上に形成された円環状の側壁１４によって構成される。発光素子２０は、例えば図２に示すような構造を持ち、半導体から成る発光層３８を内部に備えている。また、発光素子２０の２つの電極４２、４６は、波長変換部材３０に形成された電極とワイヤを介して実装基板１２の配線１２ａ、１２ｂと接続されており、外部から通電可能となっている。

発光素子２０と波長変換部材３０が収納できるように、パッケージ１６には上面が開口した凹部１６ａが形成されている。また、本実施の形態では、発光素子２０と波長変換部材３０の発光を効率良く取り出せるように、凹部１６ａはすり鉢状となっている。即ち、パッケージ１６の側壁１４の内面と実装基板１２の上面とにより凹部１６ａが構成されているが、パッケージ１６の側壁１４は円環状となっており、その内径が上方にいくに従って広がっている。これによって凹部１６ａがすり鉢状となり、凹部１６ａの表面に入射した光を上方から効率的に取り出すことができる。また、凹部１６ａには透光性の封止部材２８が充填されている。図１におけるパッケージ１６の凹部１６ａは、図６に示すように、平面視では円形であり、その中央付近に矩形の発光素子２０と矩形の波長変換部材３０とが配置された構造となっている。また、発光素子２０と波長変換部材２４、２６は、いずれも凹部１６ａの底面に対して平行に設置されている。

本実施の形態において、波長変換部材３０は、無機材料から成る無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材である第１の波長変換部材２４と、透光性樹脂中に蛍光体が分散されて成る第２の波長変換部材２６とを有する。パッケージ１６の底面上に、透光性の支持部材３２を介して、第１の波長変換部材２４と、発光素子２０と、第２の波長変換部材２６とが、順次凹部１６ａの開口に向かって、凹部１６ａの側面から離間するように形成されている。第１の波長変換部材２４は、発光素子２０を支持するよう発光素子２０の下側に配置され、第２の波長変換部材２６は、発光素子２０の上面及び側面を覆うよう形成されている。発光素子２０の上面及び側面から出射した光は、主として第２の波長変換部材２６によって一部が波長変換され、発光素子２０の下面から出射した光は、主として第１の波長変換部材２４によって一部が波長変換される。こうして波長変換された光と、もとの発光素子２０の光とが混合することにより、所望の色の発光が得られる。例えば、発光素子２０が青色を発光し、波長変換部材３０が黄色を発光すれば、それらの混合によって白色の発光が得られる。また、発光素子２０として紫外光を発光する発光素子を用いる場合は、波長変換部材３０を通過して変換された光によって、所望の色の発光が得られる。

本実施の形態の発光装置１０によれば、パッケージ１６の底面上に、透光性の支持部材３２を介して、第１の波長変換部材２４と、発光素子２０と、第２の波長変換部材２６とを順次形成したため、第１の波長変換部材２４と支持部材３２を通じて発光素子２０の下方から効率よく光を取り出せる。また、発光素子２０の上下両方に波長変換部材２４、２６を設けているため比較的均一な波長変換が可能である一方で、発光素子２０の下側に位置する第１の波長変換部材２４をガラスやサファイア等の無機材料から成る無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材としたため波長変換部材２４の散乱による戻り光は抑制できる。即ち、第１の波長変換部材２４中の無機バインダーと蛍光体の屈折率差は比較的小さいため、第１の波長変換部材２４を通過する光はあまり散乱されず、光が第１の波長変換部材２４内を通過する際の発光素子２０への戻り光は少ない。

しかし、発光素子２０の下側に形成する第１の波長変換部材２４は内部での散乱が少ない分、第１の波長変換部材２４内での導波が起きやすく、第１の波長変換部材の側面で強く発光する傾向がある。このことは新たな色むらの原因となり得る。そこで本実施の形態では、凹部１６ａの側面に散乱面１８を形成する。例えば、パッケージ１６の側壁１４を構成する透光性の母材にＴｉＯ_２などの透光性の粒子１７を分散させて、凹部１６ａの側面を散乱面１８とすることができる。パッケージの凹部１６ａの側面に光が入射すると粒子１７によって散乱される。これによって、図４に示すように発光素子２０と波長変換部材３０の出射光のうち、パッケージの凹部１６ａの側面に当たった光はそこで散乱してから外部に取り出されることになり、その散乱過程で発光素子２０の光と波長変換部材３０の光が混合されて色むらが抑制される。

また、本実施の形態において発光素子２０の発光層３８はパッケージの凹部１６ａの側面から離間しているため、凹部１６ａの散乱面１８で散乱された後で光が発光素子２０に戻る光の割合は少ない。特に、凹部１６ａの内径を上側に向かって徐々に広くなるようにすれば、凹部１６ａの側面で散乱された光が平均として上方に向かいやすくなるため、発光素子２０に戻る割合が一層少なくなる。したがって、パッケージ１６の側壁１４に色むらの抑制に十分な量の粒子１７を分散させたとしても、発光出力は殆ど低下しない。

散乱面１８は、凹部１６ａの側面のできるだけ広い領域に形成することが好ましいが、少なくとも凹部１６ａの側面のうち、第１の波長変換部材２４の側面から第１の波長変換部材２４の主面に対して平行に出射した光が照射される領域には形成する。これによって第１の波長変換部材２４の側面における発光を効果的に散乱して色むらを抑制することができる。好ましくは、第１の波長変換部材２４の側面から第１の波長変換部材２４の主面に対して平行に出射した光が照射される領域を含み、それより下方にある領域全てに散乱面１８を形成する。さらに好ましくは、発光素子２０の発光層３８から発光素子２０の主面に平行に出射した光があたる位置よりも下方にある全ての領域に散乱面１８を形成する。最も好ましくは、凹部１６ａの側面全面に散乱面１８を形成する。これにより色むらを効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態では、凹部１６ａの側面を散乱面としているが、凹部１６ａの底面にも散乱面を設けることができる。例えば、実装基板１２の表面にワイヤ接続の領域を残すように適当な散乱層を形成しても良い。また、本実施の形態では、半導体素子２０の発光を散乱面１８で散乱以外の光学効果（例えば、吸収や波長変換）を伴わないように、そのまま散乱させる構成としている。これによって散乱面１８で生じる光のロスを抑制し、光取り出し効率を高めることができる。また尚、発光素子２０と波長変換部材３０から出射し、凹部１６ａの底面及び側面で反射して取り出される光の大部分が散乱面で散乱されることが好ましいが、底面及び側面で反射した光の一部が散乱面に当たらずに凹部１６ａの開口から取り出されても構わない。また、発光素子２０と波長変換部材３０から出射した光には、底面や側面で反射を繰り返しながら凹部１６ａの開口から出射するものも多い。したがって、発光素子２０と波長変換部材３０から出射した光が最初から散乱面１８に当たる必要はなく、一度、凹部１６ａの底面や側面で反射した後、凹部１６ａの開口から取り出される前に散乱面１８に当たれば色むら抑制の効果は発揮される。

以下、本実施の形態に係る発光装置１０の各部材の好ましい構成や配置について詳細に説明する。
（波長変換部材３０）
本実施の形態では、波長変換部材３０として第１の波長変換部材２４と第２の波長変換部材２６を有するが、両者に用いる蛍光体は同一でも良いし、異なっていても良い。第１の波長変換部材２４及び第２の波長変換部材２６に用いる蛍光体は、近紫外光や可視光で励起される蛍光体が好ましい。特に、発光素子２０が青色発光素子であり、白色の発光装置を構成したい場合には、青色で励起されて黄色のブロードな発光を示す蛍光体を用いることが好ましい。このような蛍光体として、例えば、セリウムで付活されたガーネット構造を持つ蛍光体（特に、セリウムで付活され、アルミニウムを含みガーネット構造を持つ蛍光体）が挙げられる。セリウムで付活された蛍光体は、黄色にブロードは発光を示すため、青色発光との組合せによって演色性の良い白色を実現できる。また、ガーネット構造、特にアルミニウムを含むガーネット構造の蛍光体は、熱、光、水分に強く、高輝度な黄色発光を長時間維持することができる。例えば、波長変換物質として、（Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｔｂからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）で表されるＹＡＧ系蛍光体（一般にＹＡＧと略記される）を用いることが好ましい。また、黄色蛍光体の他に、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｚｎ：Ｃｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＢ_ｘＮ_３＋ｘ：Ｅｕ及びＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕなどの蛍光体を用いて演色性を調整することもできる。

また、特に発光素子２０の発光波長が短波長である場合などは、波長変換部材３０が２種類以上の蛍光体を含んでいても良い。発光素子２０からの１次光によって１種類目の蛍光体を励起、発光させ、その蛍光体の発する２次光によって別の種類の蛍光体を励起、発光させることもできる。また、色度の異なる２種類の蛍光体を用いれば、２種類の蛍光体の量を調整することにより、色度図上において２種類の蛍光体と発光素子の色度点を結んでできる領域内の任意の色度点に対応する発光を得ることができる。

以下に述べる通り、第１の波長変換部材２４と第２の波長変換部材２６は、発光装置１０における役割が異なるため、好ましい構成が異なる。
（１）第１の波長変換部材２４
発光素子２０の下側に発光素子と平行に形成された第１の波長変換部材２４は、主として発光素子２０の下面から出射する光を波長変換すると共に、発光素子２０を固定する基板としての役割や、発光素子２０から実装基板１２への放熱経路としての役割も果たす。発光素子２０の下側に第１の波長変換部材２４が配置されていることにより、発光素子２０から下方向に出射する光を波長変換できるため、色むらの抑制に有利である。本実施の形態では、発光素子２０の側面や下面から出射する光と第１の波長変換部材２４から出射する光とは、凹部１６ａの側面に形成された散乱面１８で散乱し、混合されてから外部に出射される。

第１の波長変換部材２４は、無機材料から成る無機バインダーと蛍光体との複合材料とする。無機バインダーとしては、サファイア等の無機結晶、ガラス等のアモルファス材料、セラミック等の種々の無機材料を用いることができる。一般に、ガラスやサファイア等の無機材料は、無機材料から成る蛍光体との屈折率差が小さい。例えば、アルミニウムを含むガーネット構造の蛍光体の屈折率は約１．７〜１．８であるが、一般的な透光性樹脂の屈折率が約１．５であるのに対し、ガラスの屈折率は約１．６、サファイアの屈折率は約１．７である。このため、第１の波長変換部材２４内における蛍光体による光の散乱が少なく、発光素子２０への戻り光を抑制することができる。また、無機材料は樹脂などの有機材料に比べて硬度が高く、高温での加工も可能であるため、無機バインダーを用いた第１の波長変換部材２４は、その上への配線形成も容易であり、発光素子２０を実装する基板面として好ましい。

第１の波長変換部材２４の構造は、蛍光体と無機バインダーがほぼ均一に混在した構造であることが好ましい。例えば、第１の波長変換部材２４の構造を、蛍光体と無機バインダーの一方が他方の中に島状に分散した海島構造にすれば、第１の波長変換部材２４中で均一な波長変換を行うことができ好ましい。この場合、島状の蛍光体が無機バインダー中に分散している構造であっても、島状の無機バインダーが蛍光体中に分散している構造であっても良い。均一な波長変換のために海島構造における島の直径は例えば１μｍ〜５０μｍとすることができる。

無機バインダーは、透光性であればどのような無機材料であっても良いが、蛍光体との屈折率差が０．３より小、より好ましくは０．２以下、さらに好ましくは０．１以下であることが望ましい。また、第１の波長変換部材２４中における無機バインダーと蛍光体の屈折率差は、第２の波長変換部材２６中における透光性樹脂と蛍光体の屈折率差よりも小さくすることが好ましい。これによって第１の波長変換部材２４における散乱を減らし、光取り出し効率の低下を抑制することができる。

また、無機バインダーは、第１の波長変換部材２４の熱伝導率が全体として０．８［Ｗ／ｍＫ］以上、より好ましくは１．２［Ｗ／ｍＫ］以上、さらに好ましくは３５［Ｗ／ｍＫ］以上となる材料であることが望ましい。このような材料で第１の波長変換部材２４を構成することにより、第１の波長変換部材２４自身の耐久性が高まると同時に、発光素子２０から実装基板１２に向かう放熱も良好になり、信頼性の高い発光装置１０を実現することができる。

本実施の形態における第１の波長変換部材２４は板状であるため、発光素子２０を安定して固着することができる。また、第１の波長変換部材２４を板状とすれば、発光装置１０を製造する際に第１の波長変換部材を大きめの板状材料として加工しておき、それを所望の大きさに切り出して支持部材３２の上に接着することができるため、発光装置１０の組立が容易となる。さらに、本実施の形態における第１の波長変換部材２４は発光素子２０をフリップチップ実装する実装面としても機能するが、第１の波長変換部材２４が板状であるため、配線の形成も容易となる。例えば、大きめの板状に加工された第１の波長変換部材２４に配線パターンを一括して形成し、それを切り出して支持部材３２の上に接着することもできる。第１の波長変換部材２４表面の配線パターンと発光素子２０を金属や樹脂などの導電性部材や接着剤によって接続することで、配線パターンを介して発光素子２０の発熱を第１の波長変換部材２４に逃がすことができる。発光素子２０は、フリップチップ実装することで、発熱し易い発光層３８を第１の波長変換部材２４に接近させることができ、効率良く放熱できる。

第１の波長変換部材２４の上面視形状は、好ましくは発光素子２０と同じく略正方形とする。第１の波長変換部材２４は上面視において発光素子２０と重なっており、発光素子２０より大きいサイズとすることが好ましい。具体的には、第１の波長変換部材２４の１辺の長さを、発光素子２０の１辺の長さの１．５〜３．５倍程度とすることができる。例えば、発光素子２０が１辺約４５０μｍの略正方形である場合には第１の波長変換部材２４を１辺約１ｍｍの略正方形とし、発光素子２０が１辺約１ｍｍの略正方形である場合には第１の波長変換部材２４を１辺約１．５ｍｍの略正方形とする。このとき、第１の波長変換部材２４の側面から散乱面までの距離は０．５〜１．５ｍｍ程度とすることができる。また、第１の波長変換部材２４の厚みは、所望の色度が得られる厚みを選択でき、例えば１００μｍ〜３００μｍとする。尚、第１の波長変換部材２４の上面視形状は、矩形に限らず、円形、楕円形などの種々の形状とすることができる。

第１の波長変換部材２４は、内部での散乱が少ないため、第２の波長変換部材２６に比べて発光素子２０の光を波長変換する割合が低くなり易い。そこで第１の波長変換部材２４によって十分な波長変換を行うために、第１の波長変換部材２４をある程度厚く形成することが好ましい。例えば、第１の波長変換部材２４は、発光素子２０よりも厚いことが好ましい。また、第１の波長変換部材２４は、第２の波長変換部材２６よりも厚いことが好ましい。ここで第１の波長変換部材２４及び第２の波長変換部材２６の厚さは、発光素子２０の中心を通り、発光素子２０の主面に垂直な直線上での厚さで考えるものとする。また、同様の理由から、第１の波長変換部材２４内における蛍光体の濃度は、第２の波長変換部材２６内における蛍光体の濃度よりも高くすることが好ましい。ここで第１の波長変換部材２４及び第２の波長変換部材２６における蛍光体の濃度は、単位体積中の蛍光体の重量で考えるものとする。

本実施の形態では、第１の波長変換部材２４の上に発光素子２０を直接固定しているが、板状の第１の波長変換部材の上面に透光性の部材を配置して、その上に発光素子を設けることもできる。例えば、第１の波長変換部材２４と発光素子２０との間にサファイアやガラス等の熱伝導が良好な透光性の部材を設けても良い。第１の波長変換部材２４よりも平面方向の寸法が大きな透光性の部材を設けることで、透光性の部材の側面から発光素子の光を効率良く取り出すことができる。即ち、透光性の部材の側面から発光素子の光を取り出して、波長変換部材３０を通過させずに散乱面１８に照射することにより、波長変換部材３０を通過する際の吸収ロスを低減できる。また、透光性の部材の平面方向の寸法が発光素子２０よりも大きければ、透光性の部材が発光素子２０から張り出した部分において透光性の部材の上下からも発光が可能になる。一方で、透光性の部材から出射した光は、凹部１６ａの側面に形成された散乱面１８で散乱されるため色むらも抑制される。また、第１の波長変換部材２４が、「板状」であるためには、全体の形状が板状であれば良く、発光素子を裁置するための凹部や孔を有していても良い。また、何らかの光学効果を得るためのパターンが表面に形成されていても良い。

（２）第２の波長変換部材２６
次に、発光素子２０の上面に形成された第２の波長変換部材２６は、主として、発光素子２０から出射する光のうちパッケージの凹部１６ａに当たらないで外部に取り出される光を波長変換する役割を果たす。そのような光は散乱面１８による混色が行われないため、第２の波長変換部材２６は内部で光が散乱するように、透光性樹脂中に蛍光体を分散した構造とする。また、発光素子２０から出射した光が通過する光路長がほぼ均一となるように第２の波長変換部材２６を形成することが好ましい。これによって色むらの少ない発光装置とすることができる。具体的には、ガーネット蛍光体等の無機材料から成る蛍光体を、それとの屈折率差が０．３以上、より好ましくは０．４以上の透光性樹脂中に分散する。透光性樹脂としては、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂を用いることができる。また、これらの樹脂を１種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた樹脂も利用できる。また、第２の波長変換部材２６は、発光素子２０の上面及び側面を略均一な厚みで覆うことが好ましい。蛍光体を透光性樹脂に分散して成る第２の波長変換部材２６は、ポッティングなどの手法を用いることで発光素子２０の上面及び側面を略均一な厚みで覆うことが容易である。

一方、第２の波長変換部材２６は、第１の波長変換部材２４の側面を覆わないように形成することが好ましい。これによって第１の波長変換部材２４の側面から光を効率良く取り出すことができる。また、同様の理由から、第２の波長変換部材２６は、第１の波長変換部材２４の上面のうち、発光素子２０の近傍は第２の波長変換部材２６によって覆う一方で、第１の波長変換部材２４の外周近傍は第２の波長変換部材によって覆わないことが好ましい。

また、第２の波長変換部材２６の上面は、なだらかな曲面とすることが好ましい。これによって第２の波長変換部材２６内における光の全反射を抑制して、光取り出し効率を高めることができる。第２の波長変換部材２６の上面をなだらかな曲面とするには、ポッティング等の手法を用いることができる。

尚、第１の波長変換部材２４及び第２の波長変換部材２６の受光面、発光面にレンズパターンなどの、何らかの光学効果を得るためのパターンを形成しても良い。前述の通り、本実施の形態における第１の波長変換部材２４は「板状」であるが、全体的な形状が板状であれば、表面に何らかのパターンが形成されていても構わない。また、あるパターンが発光素子の固着面にあったとしても、そのパターンの周期が発光素子の大きさに対して十分に小さければ、発光素子を安定して固定することが可能である。

（発光素子２０、波長変換部材３０の配置）
本実施の形態において、発光素子２０の発光と波長変換部材３０の発光が散乱面１８によって良好に混色するためには、発光素子２０と波長変換部材３０の発光が凹部の散乱面１８の広い面に均一にあたることが有利である。そのためには、発光素子２０の発光層３８と波長変換部材３０との両方が、凹部１６ａの側面及び底面から離れていることが好ましい。また、発光層３８と波長変換部材３０の両方が凹部１６ａの側面及び底面から離れていると、散乱又は反射した光が発光素子２０や波長変換部材３０に戻る割合も減少し、光取り出し効率も向上する。

例えば、本実施の形態では、図３に示すように、発光層３８の平面方向の最大幅をｗ［μｍ］として、発光素子２０の発光層３８から凹部１６ａの底面までの距離ｄが少なくとも０．５ｗ［μｍ］以上となるように発光層３８が配置されている。パッケージ１６の構造によっては、凹部１６ａの底面が何らかの積層構造となっている場合もあり得るが、その場合は発光層３８の発光が最も強く反射する面を基準とし、そこから発光層３８までの距離をｄとする。発光素子２０が凹部１６ａの底面に直接固着される場合など、発光層３８から光を反射する凹部１６ａの表面までの距離が近すぎる場合、発光層３８から出た光は殆どが発光素子２０に戻り、発光素子２０内の半導体層や電極で再吸収されてしまう。発光層３８の端から出て凹部１６ａの底面で反射する光を想定すると、発光層３８から凹部１６ａの底面までの距離ｄが０．５ｗ以上であれば、発光層３８の端から下方に出射した光のうち、凹部１６ａの底面に対する入射角α（凹部１６ａの底面に対する法線と底面に入射する光線のなす角）が４５°以上であれば外部に取り出せる。したがって、発光層３８から凹部１６ａの底面までの距離ｄを０．５ｗ以上とすることで、発光層３８から下方に出射した光が発光素子２０に戻らずに外部に出射され易くなる。この入射角αの臨界値は、発光層から凹部１６ａの底面までの距離ｄが長くなるほど小さくなり、発光を外部に取り出し易くなる。発光層３８から凹部１６ａの底面までの距離ｄは、好ましくは１ｗ［μｍ］以上、さらに好ましくは２ｗ［μｍ］以上とすることが望ましい。また、発光層３８は、凹部１６ａの深さ（＝凹部の底面から上面までの距離）の３分の１よりも上に配置することが望ましい。このように発光素子２０中の発光層８を凹部１６ａの底面から十分に離間して配置することにより、発光層３８から下方に発した光が凹部１６ａの底面で反射した後で再び発光素子２０自身に戻る確率が下がり、発光素子２０の発光を効率良く利用することが可能となる。また、発光層３８から凹部１６ａの底面までの距離ｄが長いほど、発光層３８から下方に出射した光が広い範囲の散乱面に照射されるため好ましい。同様に、波長変換部材３０から凹部１６ａの底面までの距離は、波長変換部材３０の最大幅をｗ’として、０．５ｗ’以上、好ましくは１ｗ’以上とすることが望ましい。

また、発光素子２０の発光層３８を含み、発光素子２０に平行な平面内で考えて、発光層３８の端から凹部１６ａの側面までの最短距離が、発光層３８の平面方向の最大幅をｗ［μｍ］として、０．５ｗ［μｍ］以上、１ｗ［μｍ］以上、より好ましくは３ｗ［μｍ］以上となるように発光層３８を配置することが望ましい。これによって、発光層３８から横方向に出射した光がより広い散乱面に当たるようになる。また、凹部１６ａの散乱面で散乱した光が発光素子２０に戻る割合も減少する。同様に、波長変換部材３０を含み、波長変換部材３０に平行な平面内で考えて、波長変換部材３０から散乱面が形成される凹部１６ａの側面までの最短距離は、０．５ｗ’以上、好ましくは１ｗ’以上とすることが望ましい。尚、上記の距離を考える際には、発光素子２０或いは波長変換部材３０の端から凹部側面までの最短距離を考える。尚、波長変換部材３０が複数ある場合は、各々について、上記の距離の関係を個別に考える。

また、発光素子２０の発光と波長変換部材３０の発光を散乱面１８によって良好に混色するためには、発光素子２０、波長変換部材３０、散乱面１８の間の相対的な位置関係も考慮する必要がある。混色を良好にして色むらを抑制するためには、波長変換部材３０と発光素子２０との距離は、波長変換部材３０と散乱面１８との距離よりも小さいことが好ましい。波長変換部材３０が、発光素子２０から離れ、散乱面１８に近づきすぎると、波長変換部材３０を通過せずに散乱面に到達する発光素子２０の光が増加し、波長変換部材３０から発する光も散乱面１８に対して均一に照射されにくくなるからである。少なくとも主たる波長変換部材は、上記の関係を充足することが好ましい。また、発光素子２０及び波長変換部材３０の側方から出射する光の色むらが強いため、発光素子２０及び波長変換部材３０とその側方の散乱面１８との離間距離が、凹部１６ａの底面との離間距離より大きくなるように配置することが望ましい。

尚、本実施の形態の発光装置１０において、発光素子２０と波長変換部材３０とから出射した光のうち、パッケージの凹部１６ａの側面に当たらない光については散乱による混合を行うことができない。発光素子２０の上面から凹部１６ａの上面に対して垂直な方向に出射する光は、凹部１６ａの側壁に当たらずに直接外に取り出される。例えば、図４に示すように、発光素子２０の上面が凹部１６ａの上面と平行に実装された場合には、発光素子２０の上面から法線方向に出射する光は、凹部１６ａの散乱面１８に当たらずに直接外に取り出される。そこで、本実施の形態では、発光素子２０の上面側に第２の波長変換部材２６を形成し、発光素子２０の上面から出射して凹部１６ａの表面に当たらずに外部に取り出される光が第２の波長変換部材２６を通過するようにしている。これにより、第２の波長変換部材２６を通過した光と散乱面１８において散乱された光とが、凹部１６ａの上面の開口から取り出され、発光装置の発光となる。第２の波長変換部材２６は、発光素子２０を実装した後で、その上を覆うように形成することができるため、発光素子２０に沿った形状とすることは比較的容易である。尚、発光素子２０の上面を覆う第２の波長変換部材２６を設けない場合は、発光素子２０から出射した光のうち凹部１６ａの表面に直接当たらない光を、適当な反射板などで凹部１６ａに戻しても良い。

また、発光素子２０から出射して第２の波長変換部材２６を通過した光についても、光路長を完全に均一にすることは難しい。特に、第２の波長変換部材２６を斜めに通過する光については色むらが生じ易い。したがって、発光素子２０から出射する光は、直接外部に取り出すのではなく、できるだけ散乱面１８で散乱をさせた方が色むらの抑制には有利である。発光素子２０と波長変換部材３０から出射する光のうち、パッケージの凹部１６ａで反射せずに直接外部に取り出される光の割合は、凹部１６ａ内における発光層３８の位置によっても変わる。発光層３８が凹部１６ａの上面から離間して配置されていると、凹部１６ａの側面に当たらずに外部に取り出される光の割合が減るため、散乱面１８による混色の効果が高まる。また、発光素子２０から横向きに出射した光が散乱面１８で散乱してから凹部１６ａの上面にある開口を通じて取り出される場合、発光素子２０が凹部１６ａの上面から離れている方が、散乱した光が十分に広がってから取り出されるため好ましい。発光層３８の平面方向の最大幅をｗ［μｍ］として、発光素子２０の発光層３８から凹部１６ａの上面までの距離ｄ_２が少なくとも０．５ｗ［μｍ］以上、より好ましくは１ｗ［μｍ］以上となるように発光層３８を配置することが望ましい。また、発光層３８からの光の大部分を散乱面１８において散乱させるためには、距離ｄ_２を距離ｄと同程度か、それよりも大きくすることが望ましい。ここで凹部１６ａの「上面」とは、凹部１６ａの上端を含む平面を指す。また、凹部１６ａに封止部材が充填され、凹部１６ａの上端を含む平面より発光素子２０側に封止部材の表面が配置される場合には、封止部材と空気の界面で光の反射が起こるため、封止部材の表面を凹部１６ａの「上面」として各部材の位置を決定することが望ましい。特に、封止部材の表面が略平坦面である場合は、このように取り扱うことが望ましい。この「上面」の解釈は、他の実施形態でも同様である。

また、図３に示すように、発光層３８の中心と凹部１６ａの上端を結ぶ線と凹部１６ａの光軸（＝凹部が散乱機能のない反射鏡である場合の光軸方向）とがなす角をβとすると、発光層３８の中心から上面に出射する光のうち、凹部１６ａの光軸と出射する光線のなす角がβ以下の光線は全てパッケージの凹部１６ａで反射せずに凹部１６ａの上面に到達する。従って、上記角度βが小さくなるように凹部１６ａと発光層３８の関係を決めれば、凹部１６ａの表面における散乱の効果が増大するため好ましい。角度βは、９０°以下、より好ましくは７０°以下であることが望ましい。一方、角度βが小すぎると、発光の指向性が強い発光装置となってしまい、用途によっては好ましくない。また、角度βが小さすぎると、発光素子２０の発光が凹部１６ａの表面で散乱を繰り返して発光素子２０に戻り易くなり、発光装置１０の出力が低下する。したがって、上記角度βは、３０°以上、より好ましくは５０°以上とすることが望ましい。角度βは、距離ｄ_２によって調整できる。ｄ_２が長くなるほど、βは小さくなる。また、角度βは、出射部である凹部１６ａの開口部の幅を増減させることによっても調整できる。開口部の幅を狭くすれば、βは小さくなる。

尚、凹部１６ａ内に封止部材が充填される場合は、凹部１６ａの上面に到達した光は、全反射する臨界角θ_ｃ以下の角度で凹部１６ａの上面に入射した光線は、そのまま外部に取り出され、臨界角θ_ｃより大きな角度で入射した光線は全反射により凹部１６ａ内に戻される。したがって、臨界角θ_ｃが角度βよりも小さい場合は、直接取り出される光を少なくでき、全反射によって凹部１６ａ内へ戻された光を散乱面で散乱させることができるので、より一層色むらが改善できる。封止部材は、その上面略平坦な面とすることで、封止部材の表面における全反射を促進できる。一方、臨界角θ_ｃが角度βよりも大きい場合は、直接取り出される光の割合が大きくなるが、そのことは光取り出し効率の点からは好ましい。また、封止部材は、その上面が凸曲面となるように凹部１６ａから突出した形状とすることで、封止部材の表面反射を低減でき、光取り出し効率を向上できる。

（支持部材３２）
本実施の形態では、発光素子２０の発光層３８がパッケージの凹部１６ａの底面から所定距離だけ離間するように、発光素子２０を第１の波長変換部材２４と支持部材３２を介して実装基板１２に固着されている。本実施に形態における支持部材３２は、発光層３８から下方に出射する光を効率良く利用できるよう発光層３８の発光に対して透光性である。また、支持部材３２は、第１の波長変換部材２４と共に発光素子２０から実装基板１２に至る放熱経路を形成しているため、熱伝導率の高い材料から成ることが好ましい。熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上、より好ましくは１．２［Ｗ／ｍＫ］以上、さらに好ましくは３５［Ｗ／ｍＫ］以上の材料で構成することが望ましい。支持部材３２としては、例えば、サファイア、ガラス等の無機材料を用いることができる。中でもサファイアは、熱伝導率が比較的高く、発光素子２０の発光する青色光に対して高い透過率を示すため好ましい。また、支持部材３２は、蛍光体も含めて、光を散乱する粒子を含まないことが好ましい。少なくとも支持部材３２の内部における散乱が、第１及び第２の波長変換部材２４、２６の内部における散乱よりも弱いことが必要である。また、支持部材３２の上に第１の波長変換部材２４を配置して凹部１６ａの底面から離間させるため、支持部材３２として透光性の基板を用いることが好ましい。

支持部材３２も含めて、発光素子２０と実装基板１２の間に介在する部材は、発光素子２０から実装基板１２に向かう放熱経路となるため、熱伝導率の高い材料とすることが好ましい。例えば、本実施の形態であれば、第１の波長変換部材２４と支持部材３２の両方を熱伝導率の高い材料とすることが好ましい。支持部材３２は、その主たる材料を熱伝導率が０．８［Ｗ／ｍＫ］以上、より好ましくは１．２［Ｗ／ｍＫ］以上、さらに好ましくは３５［Ｗ／ｍＫ］以上とすることが望ましい。これによって発光素子２０の放熱効率が高くなるため、長時間点灯しても発光出力の低下が少ない発光装置１０とすることができる。尚、発光素子２０と凹部１６ａの底面の間に、熱伝導率が低い部材が全体の熱伝導を大きく阻害しない程度の薄膜に存在していても構わない。例えば、熱伝導率が高い第１の波長変換部材２４と支持部材３２とを、熱伝導率の低い接着層で接合しても、全体としての熱伝導が上述の範囲に収まる程度であれば良い。熱引きを考慮すると、図１に示すように、支持部材３２は配線１２ａ、１２ｂの少なくともいずれか一方に接するように設けることが望ましい。また、配線と絶縁された金属部材等の放熱体を設け、この放熱体に支持部材３２を設けても良い。支持部材３２と配線１２ａ、１２ｂは樹脂、金属ペーストなどで接着される。熱伝導率の高い金属ペーストを用いることが望ましい。この場合、支持部材３２の表面に金属膜を設けて金属膜側を金属ペーストで接着すると、密着力を向上できる。金属膜は反射層として利用することもできる。

また、支持部材３２を含めて、発光素子２０と凹部１６ａの間に介在する部材は、発光素子２０の発光を吸収しないよう、透光性を有することが好ましい。尚、発光素子２０と凹部１６ａの底面の間に、透光性の低い部材が全体の透光性を阻害しない程度の薄膜に存在していても構わない。例えば、透光性の第１の波長変換部材２４と透光性の支持部材３２とを、透光性の低い接着層で接合しても、発光素子２０を支持する部材全体としての透光性が阻害されなければ良い。このような透光性の低い部材を発光素子２０と凹部１６ａの底面との間に介在させる場合は、発光層３８から凹部１６ａの底面に向かう光を遮断する割合が小さくなるように、第１の波長変換部材２４よりも狭い幅で設けることが望ましく、さらに好ましくは発光層３８よりも狭い幅で設けることが望ましい。また、発光素子２０と凹部１６ａの底面との間に発光素子２０より面積の大きい光反射部材が存在する場合は、この光反射部材を実質的な凹部の底面として、発光層３８や第１の波長変換部材２４の配置を調整することが望ましい。

尚、凹部１６ａの底面から支持部材３２、第１の波長変換部材２４の順に積層することが好ましく、それによって第１の波長変換部材２４を凹部１６ａの底面から離間させることができる。第１の波長変換部材２４が、凹部１６ａの底面と側面から離間していると、第１の波長変換部材２４から発する光が散乱面に広く照射され易くなる。また、凹部１６ａで散乱や反射された光が第１の波長変換部材２４に戻る割合も減少する。また、支持部材３２は透光性の部材であるが、支持部材３２とその周囲の部材との界面における全反射により一部の光は取り出されずに閉じ込められてしまうため、支持部材３２の幅は第１の波長変換部材２４を支持できる程度として、第１の波長変換部材２４から下方に向かう光が直接散乱面１８に到達できるように支持部材３２を配置することが望ましい。好ましくは支持部材３２の幅を第１の波長変換部材２４の幅と同程度以下、第１の波長変換部材２４の幅の半分以上とすることが望ましい。

（発光素子２０）
発光素子２０は、半導体から成る発光層を備えたものであれば良い。特に窒化物半導体から成る発光層、中でも窒化ガリウム系化合物半導体（特にＩｎＧａＮ）から成る発光層を備えた発光素子であれば、可視光域の短波長域や近紫外域で強い発光が可能であるため、波長変換部材と好適に組み合わせることができる。発光素子２０は、発光層３８から出力される出射光の発光ピーク波長が近紫外線から可視光の短波長領域である２４０ｎｍ
〜５００ｎｍ付近、好ましくは３８０ｎｍ〜４２０ｎｍ、さらに好ましくは４５０ｎｍ〜４７０ｎｍにある発光スペクトルを有することが望ましい。この波長域で発光をする発光素子であれば、種々の波長変換部材との組合せにより、所望の色、特に白色光の発光が可能となる。尚、発光素子２０は、ＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系などの半導体から成る発光層を有するものでも良い。

図２は、発光素子２０の一例を示す模式断面図である。サファイア等の透光性で絶縁性の基板３４に、第１導電型（例えば、ｎ型）の半導体層３６、発光層３８、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型（例えば、ｐ型）の半導体層４０が順次積層されている。第２導電型の半導体層４０と発光層３８が一部除去されて第１導電型の半導体層３６が露出しており、その露出面に第１電極（ｎ側電極）４２が形成されている。また、第２導電型の半導体層４０には、第２電極（ｐ側オーミック電極）４４がほぼ全面に形成され、さらに外部と接続するためのパッド電極（ｐ側パッド電極）４６が形成されている。各電極は、透光性又は反射性の電極とすることができ、通常、電極形成面を上側として実装される場合は透光性の電極が用いられ、図１に示すように電極形成面を下側としてフリップチップ実装される発光素子２０の場合には反射電極が用いられる。

図１に示すように、本実施の形態では、発光素子２０の基板３４を上側にして第１の波長変換部材２４の上にフリップチップ実装している。第１の波長変換部材２４の上面には実装用の電極が形成されており、はんだバンプ等を介して、発光素子２０の第１電極４２及び第２電極４６と接続される。第１の波長変換部材２４の上面に形成された電極は、さらにワイヤによって実装基板１２の配線１２ａ、１２ｂと接続される。これによって外部から発光素子２０を電気駆動することが可能となる。第１の波長変換部材２４の上面に形成される電極には、通常、発光層３８からの光を実質的に遮光する部材が用いられる。このため、第１の波長変換部材２４上面の電極は、第１の波長変換部材２４上面の一部のみに形成し、発光素子２０から下方に向かう光が凹部１６ａの底面に到達できるようにする。好ましくは、上面視において発光素子２０から突出した電極部を、発光素子２０の幅よりも小さい幅で形成することが望ましい。

尚、本発明で用いることのできる発光素子２０は、図２に示す構造のものに限定されない。例えば、各導電型層に、絶縁、半絶縁性、逆導電型構造が一部に設けられても良い。また、基板３４は、導電性を持つものでも良く、その場合には、第１電極４２を基板３４の裏面に形成しても良い。また、基板３４は、半導体層を成長させる際の基板であっても良いし、半導体層を成長させた後で貼りあわせたものでも良い。また、基板を剥離して半導体層のみを発光素子として用いることもできる。発光素子２０の上面視形状は、典型的には矩形であり、好ましくは略正方形とする。略正方形とすることで発光素子２０の各辺から散乱面までの距離をほぼ等しくでき、色むらを抑制し易い。波長変換部材２４の上面視形状は発光素子２０と略同一とすることが好ましい。発光素子２０としては、１辺数百μｍ〜数ｍｍ程度のものを用いることができ、具体的には１辺４００μｍ〜１ｍｍ程度の略正方形の素子を用いることができる。このとき、発光素子２０の側面から散乱面１８までの距離は例えば０．５〜２ｍｍ程度とする。

（パッケージ１６、凹部１６ａ）
パッケージ１６は、表面の一部が散乱面となった凹部１６ａを有し、発光素子２０への電気的な接続が可能となるように発光素子２０と波長変換部材３０を収納可能であれば、どのような構造でも良い。本実施の形態では、パッケージ１６は、平板状の絶縁部材に配線１２ａ、１２ｂを形成した実装基板１２とその実装基板１２の上に形成された環状の側壁１４によって構成され、上面視においてパッケージ１６の外形は矩形であり、円形にくりぬかれて環状の側壁１４が形成される。実装基板１２の上面と側壁１４の内面とによって凹部１６ａが構成されている。また、本実施の形態では、側壁１４を構成する透光性の母材中に母材と屈折率が異なる透光性の粒子１７を分散することによって凹部１６ａの側面を散乱面１８としている。

凹部１６ａは、発光素子２０と波長変換部材３０を収納可能であり、上面が光を取り出せるように開放されていれば、どのような形状でも良い。但し、凹部１６ａの底面は、発光素子２０等を安定して固定できるように平坦であることが好ましい。また、凹部１６ａの内径は、底面から上面に向かって徐々に内径が大きくなっていることが好ましい。また、凹部１６ａは、平面視の形状が円形であることが好ましく、それによって発光の均一性を高めて色むらを抑制することができる。一例を図５及び図６に示す。図５及び図６は、本実施の形態における発光装置の一例を示す模式的な斜視図及び上面図である。特に、発光素子２０と波長変換部材３０を含む光源の平面視形状が矩形である場合には、矩形の辺から出射される光と角部周辺から出射される光とで強度差が生じてしまうが、このように取り出された光を円形の凹部１６ａにおいて散乱させることで、光源の形状に起因する色むらを抑制することができる。さらに、凹部１６ａは、いずれの高さで見ても平面視で円形であるすり鉢状であることが好ましい。また、凹部１６ａは、平面視の形状が発光素子２０と相似形である矩形としても良い。発光素子２０と波長変換部材３０を含む光源は、平面視で凹部１６ａの中心に配置されることが好ましい。また、図６に示すように、上面視において、凹部１６ａの側面に形成された散乱面１８は、発光素子２０及び波長変換部材３０の外側に配置されて観察可能であることが好ましい。特に、上面視において、発光素子２０と波長変換部材３０とは、凹部１６ａの底面の中に形成されていることが好ましい。

凹部１６ａの表面に形成する散乱面１８は、発光素子２０の発光と波長変換部材３０の発光とを散乱可能な面である。散乱可能な面とするためには、発光素子２０の発光と波長変換部材３０の発光の波長の短い方と同程度以下の大きさであって、周囲と屈折率の異なる材料からなる微細構造が分布した面とすれば良い。

例えば、本実施の形態の側壁１４のように、透光性の母材中に母材と屈折率の異なる透光性の粒子を分散することで散乱面１８とすることができる。粒子と周囲の材料との屈折率差は、０．１以上、より好ましくは１．０以上とすることが望ましい。また、粒子としては、ガラス繊維、ガラスビーズ、タルク、シリカ、アルミナ、マグネシア、亜鉛華、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、チタニア、水酸化アルミニウム、マイカ、長石粉、石英粉などの無機系粒子、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、スチレン系架橋樹脂などの有機系粒子が使用でき、これらの１種を単独で又は２種以上を併用して用いることができる。粒子１７としては、特に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかを含む酸化物、ＡｌＮ、ＭｇＦ等が好ましい（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉを含む酸化物としては、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃が好ましい）。中でも、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｌのいずれかを含む酸化物、特にＴｉＯ_２が好ましい。これらの材料から成る粒子１７は、屈折率が大きく、母材との屈折率が大きく取れるため散乱が強くなるので好ましい。何れの酸化物も、可視光領域では吸収を伴わず、効率の低減に関与しないため好ましい。

粒子の平均粒径Ｒは、散乱が効率良く生じるように、発光素子２０の発光波長をλとして、０．４×λ／π＜Ｒ＜λを充足することが好ましい。粒子の平均粒径Ｒが０．４×λ／π以下になるとレイリー散乱領域に入り、散乱強度が波長の４乗に比例するようになる。したがって、長波長である蛍光体の発光の散乱が弱くなってしまう。粒子の平均粒径Ｒは、７０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上であり、４００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下であることが望ましい。

一方、粒子１７を含有する周囲の母材としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ガラス等が好ましい。中でもシリコーン樹脂は、熱硬化性で、耐光性が良く、比較的柔らかいという特性を持つ。シリコーン樹脂は、屈折率が約１．４と低いため、ＴｉＯ２（屈折率約２．５）等の粒子との間の屈折率差をつけやすく、散乱面１８による散乱を強くするために好ましい。

粒子１７は、白色として観察される程度に含有させることが好ましく、これによって透光性が低く反射率の高い散乱面１８とでき、凹部１６ａの開口からの光取り出し効率を向上できる。また、粒子を含有させる量によって散乱面の散乱係数を調整することができる。例えば、粒子の量を全体の１０〜５０重量％とすることができ、特にＴｉＯ₂の粒子を含有させる場合は、２０〜４０重量％とすることが望ましい。粒子の含有量を３０重量％以上とすれば、散乱面１８における散乱が強くなると同時に、反射率も高くなるため好ましい。

尚、凹部１６ａの表面に形成する散乱面１８を別の手法で形成しても良い。例えば、粒子を凝集、焼結して形成した多孔質体を用いて側壁１４を形成すれば、その内面を散乱面とすることができる。また、ゾル・ゲル法によって成形した多孔質体を用いて側壁１４としても良い。こうした多孔質体では、多孔質体の材料と多孔質体の孔に存在する空気（或いは、そこに充填された異なる屈折率の物質）との屈折率差に基づいて散乱が生じる。尚、こうした多孔質体を側壁１４に用いた場合、封止性能や気密性を高めるために多孔質体と樹脂との複合材料としても良い。また、透光性部材または反射性部材の表面に凹凸加工や粗面化を施すことや、表面に散乱粒子層を形成することで、散乱面とすることもできる。

また、散乱面１８を凹部１６ａの底面にも形成することで、光を広く散乱させて凹部１６ａの開口から取り出すことができる。一方、凹部１６ａの底面は散乱面１８より散乱が小さい面としても良く、この場合、光反射性の部材を凹部１６ａの底面に配置することが好ましい。これによって、光源部から凹部１６ａの底面に到達した光を反射させて取り出すことができ、さらに反射した光の一部が凹部１６ａの側面の散乱面１８に到達する設計としておくと、光源部から下方に出射した光も散乱面１８において散乱させて取り出すことができる。

尚、凹部１６ａの側面に散乱面１８を設ける場合、発光素子２０の周囲を均等に囲むように散乱面１８を形成することが好ましい。即ち、平面視において、発光素子２０の中心を基準として全ての方位に均等に散乱面１８が形成されていることが好ましい。発光素子２０の中心を基準として、ある方位にだけ散乱面１８が広く形成されていたり、ある方位にだけ散乱面１８が形成されていないような場合、色むらの原因となるからである。また、上述の角度βを小さくすること、具体的には、上述の距離ｄ_２を距離ｄよりも大きくすることや、凹部１６ａの開口部の幅を小さくすることによって、発光素子２０と波長変換部材３０とを含む光源の全光束に占める散乱領域の割合を大きくできる。また、光源と散乱面１８との距離を大きくすることによっても散乱領域の割合を大きくできるため、光源と散乱面１８との距離を距離ｄと同じかそれ以上とすることが好ましい。凹部１６ａの底面を散乱面としない場合には、底面を小さくすることが好ましく、平面視において、底面の最大幅を光源の最大幅の１〜１．２倍程度とすることが好ましい。また、散乱面に照射された光を効率良く取り出すためには、図６に示すように、上面視において、凹部１６ａの側面に形成された散乱面１８が発光素子２０及び波長変換部材３０の外側に配置されて観察可能であることが望ましい。

尚、凹部１６ａの「底面」とは、凹部１６ａのうち、凹部１６ａの光軸方向における発光素子２０の投影面を含み、その投影面と同じ高さ以下の領域をいい、凹部１６ａの「側面」とは、その「底面」から立ち上がった領域を指す。この「底面」と「側面」の解釈は、他の実施形態における凹部１６ａについても同様である。

（実装基板１２）
実装基板１２は、表面に発光素子２０と電気的に接続される配線を形成したものであれば良い。本実施の形態では、平板状の絶縁部材に配線を形成して実装基板１２としている。絶縁部材として、窒化アルミニウムやアルミナ等のセラミック、ガラスを用いることができる。また、Ｓｉ等の半金属あるいは金属の表面に窒化アルミニウム等の絶縁性の薄膜層を形成して用いても良い。これらの実装基板１２は、放熱性が高いため、好ましい。また、配線は、イオンミリング法或いはエッチング法等によって金属層のパターニングを施すことによって形成できる。例えば、窒化アルミニウムの表面に白金薄膜等からなる配線パターンを形成できる。更に、配線パターンを保護する目的で、ＳｉＯ₂等の薄膜からなる保護膜を形成してもよい。また、支持部材が設けられる領域に、実装基板の配線と絶縁された金属部材等の放熱体を設けることもできる。

（封止部材２８）
凹部１６ａに充填される封止部材２８の材料は透光性であれば特に限定されない。シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが耐久性の面で好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることもできる。また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた封止部材も利用できる。さらに、ガラス、シリカゲル等の耐光性に優れた無機物を用いることもできる。封止部材は、発光素子２０及び波長変換部材３０からの光の透過率が波長変換部材３０より高い部材であり、蛍光体の含有率が波長変換部材３０より小さいことが好ましく、さらに好ましくは蛍光体を含有しない透光性の部材とする。また、光を散乱させる散乱剤は含有しないことが好ましい。尚、封止部材２８の上面は、略平坦で、かつ、前記第１の波長変換部材２４と略平行であることが好ましい。これによって、板状である第１の波長変換部材２４の主面から斜めに出射した光や側面から出射した光が封止部材２８に高角度で入射し易くなるため、凹部１６ａに戻し、散乱させ易くなる。また、封止部材２８の発光面側を所望の形状にすることによってレンズ効果を持たせることもできる。レンズの大きさは、凹部１６ａの上面よりも小さいものや大きいものを選択でき、レンズの表面に溝を設けて配光を制御することもできる。

実施の形態２
図７は、実施の形態２に係る発光装置を示す模式断面図である。本実施の形態では、第１の波長変換物質の上面に発光素子２０をフェースアップ実装し、発光素子の周囲に第２の波長変換物質を設けている。その他の点は、実施の形態１と同様である。波長変換物質は、例えば蛍光体を含有した樹脂を印刷することで形成することができる。

発光素子２０は、例えば図２に示す構造を有しているが、基板３４を下側にして第１の波長変換部材２４の上に固着されている。発光素子２０は、発光層３８の下方向への発光が有効に利用できるように、サファイア等の透光性の基板３４を有することが好ましい。また、発光素子２０を第１の波長変換部材２４に上面に固着するには、透光性のある接着剤を用いることが好ましい。例えば、シリコーンなどを用いることができる。発光素子２０の上面に形成された第１電極４２、第２電極４６は、各々、ワイヤによって実装基板の配線１２ａ、１２ｂと接続される。

このように発光素子２０をフェースアップ実装することにより、発光素子２０への光再入射を抑制できる。また、第１の波長変換部材２４に配線が不要となり、簡便に製造することができる。

また、本実施の形態では、第２の波長変換部材２６を発光素子２０の外周に沿って略均一な厚みで形成する。したがって、凹部１６ａの表面で散乱せずに外部に取り出される発光について、効果的に色むらを抑制できる。また、第１の波長変換部材２４の上面を第２の波長変換部材２６よりも広く形成している。これによって第１の波長変換部材２４の上面の一部を第２の波長変換部材２６の外側に露出させ、第２の波長変換部材２６の上面からも光を直接取り出すことができる。

実施の形態３
図８は、本発明の実施の形態３に係る発光装置を示す模式断面図である。本実施の形態では、第１の波長変換部材２４と第２の波長変換部材２６の両方が板状であり、半導体発光素子２０の側面が波長変換物質３０に覆われずに露出している。また、第１の波長変換部材２４と支持部材３２とにビアホールを設け、そこに充填した導電材５０を通じて実装基板の配線１２ａ、１２ｂと導通を取っている。その他の点は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態における波長変換部材３０は、発光素子２０の下面に接する第１の波長変換部材２４と、発光素子２０の上面に接する第２の波長変換部材２６とから成る。第２の波長変換部材２６は、平面方向の外寸が発光素子２０よりも大きく、発光素子２０の外周から庇状に張り出していることが好ましい。これによって発光素子２０の上面からの出射光が第２の波長変換部材２６を通過してから外部に取り出されるようすることができる。例えば第２の波長変換部材２６の大きさが発光素子２０と同一である場合には、発光層３８の側面から斜め上方に出射する光線は、第２の波長変換部材２６を通過せず、かつ、凹部１６ａの表面による散乱も受けない場合があり得る。そこで図８に示すように、第２の波長変換部材２６を発光素子２０よりも大きくし、発光素子２０の外周から庇状に張り出すようにすれば、発光素子２０の発光層３８から出射する光のうち、凹部１６ａで散乱を受けない光が必ず第２の波長変換部材１６ａを通過するようにできる。尚、このことが達成可能な程度に第２の波長変換部材３０が発光素子２０の外周から張り出していれば、第２の波長変換部材の大きさや平面形状は特に限定されない。但し、第２の波長変換部材２６があまり大きすぎると、凹部１６ａで散乱した光が再度第２の波長変換部材２６を通過することになり、色むらや発光出力低下の原因となる。本実施の形態における第２の波長変換部材２６の平面方向の最大寸法は、発光素子２０の発光層３８の平面方向の最大寸法の１．１倍以上、好ましくは１．５倍以上、かつ、３倍以下、好ましくは２倍以下とすることが望ましい。

本実施の形態のように第２の波長変換部材２６を板状とし、発光素子２０から庇のように張り出した形状とすれば、色むらの問題を抑制しながら、発光素子２０の側面を波長変換部材３０から露出させることができる。発光素子２０の側面を波長変換部材３０によって覆わずに露出させると、発光素子２０の内部に戻る光を一層減らし、また、発光素子２０の発熱による第２の波長変換部材２６の劣化も抑制できる。即ち、第２の波長変換部材２６によって、発光素子２０の上面及び側面を覆う場合、第２の波長変換部材２６に含まれる蛍光体の粒子によって光が散乱されるため、発光素子２０の内部に戻る光の割合が少なからずある。本実施の形態のように、発光素子２０の側面を波長変換部材３０で覆わずに露出させれば、発光素子２０の側面から出射した光が発光素子２０に戻る確率が大幅に低下し、発光素子２０の発光をより効率良く取り出すことができる。また、第２の波長変換部材２６と発光素子２０の接触面積も減少するため、発光素子２６の発熱による第２の波長変換部材２６の劣化も抑制することができる。

尚、従来の発光装置で、単純に発光素子２０の側面を波長変換部材３０で覆わずに露出した場合、発光素子２０の側面から出射した光は波長変換部材３０を通過しないで外部に取り出されるため、強い色むらが発生する。凹部内が封止部材２８によって封止された発光装置の場合は、封止部材２８と空気との界面で一部の光は全反射されて凹部内に戻されるが、依然として強い色むらが残る。本実施の形態では、発光素子２０の側面から出射した光が凹部１６ａで散乱し、波長変換部材２０によって波長変換された光と混合されるため、色むら発生の問題を防止することができる。

本実施の形態においても、凹部１６ａの表面に形成する散乱面１８は、できるだけ広い範囲に形成することが好ましいが、少なくとも凹部１６ａの側面の一部、より好ましくは側面全体に形成することが望ましい。これにより色むらを効果的に抑制することができる。即ち、色むらの原因の一つは、発光素子２０から出射した光が波長変換部材３０を通過する際の光路長の違いにある。発光素子２０から凹部１６ａの底面に向かう光については、波長変換部材３０の正面から照射される光であるため、波長変換部材３０の光路長が比較的均一で色むらが発生しにくい。これに対し、発光素子２０から凹部１６ａの側面に向かって斜めに進行する光については、波長変換部材３０を斜めに進行して出射する光であるため、波長変換部材３０の光路長の違いによる色むらが発生し易い。また、波長変換部材３０が板状である場合、波長変換部材３０内の光の一部は、対向する２つの主面で全反射され、側面から出射する。このため、側面から出射する光は波長変換部材内における光路長が大きく、波長変換光の強度が強くなる傾向にあり、原理的に色むらが発生し易い。

特に、本実施の形態のように、発光素子２０の側面を波長変換部材３０で覆わずに露出した場合、発光素子２０の側面から出射する光による色むらが発生し易い。しかし、凹部１６ａの底面に対して平行に設置された発光素子２０であれば、発光素子２０の側面から出射した光は凹部１６ａの側面のうちの発光層３８の側面に対面する領域に最も入射し易い。そこで、凹部１６ａの側面の中でも、特に発光層３８の側面と対面する領域を含むように散乱面を形成することが好ましい。これにより、発光素子２０の側面が波長変換部材に覆われずに露出していることによって発生する色むらも効果的に抑制することができる。

本実施の形態における第２の波長変換部材２６は、実施の形態１における第１の波長変換部材２４と同様に、無機材料から成ることが好ましい。このような材料で第２の波長変換部材２６を構成することにより、第２の波長変換部材２６自身の耐久性が高まると同時に、第２の波長変換部材２６の機械的強度も高くなるため、上記のように、板状にして発光素子２０の外周から庇状に張り出させることが容易となる。尚、第１の波長変換部材２４と第２の波長変換部材２６を同一材料とすれば、部材の共通化によって製造コストの低減が可能になると共に、発光素子２０の上下に加わる熱膨張係数差による応力も均等となり、発光装置１０の信頼性の向上にも役立つ。

また、本実施の形態では、第１の波長変換部材２４と支持部材３２とにビアホールを設け、そこに充填した導電材５０を通じて実装基板の配線１２ａ、１２ｂと導通を取っている。導電材５０と実装基板の配線１２ａ、１２ｂは、はんだ、金属共晶等の適当な材料で接合すれば良い。本実施の形態のように、導電材５０を通じて発光素子２０と実装基板の配線１２ａ、１２ｂを直接接続することにより、発光素子２０の放熱が一層良好となる。導電材５０としては、熱伝導率と導電率の高い材料を用いることが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉなどを用いることができる。また、このような導電材５０をビアホールに充填することで、導電材５０を反射部として利用できる。これにより、第１の波長変換部材２４及び支持部材３２の内部の光を反射して散乱面１８側へ取り出すことができる。

また、本実施の形態のように、金属部材等の実質的に光を遮断する遮光性の部材を支持部材の内部に設ける場合は、上面視において発光素子２０と重複する位置に遮光性の部材を配置することが好ましい。金属部材のような遮光性の部材を発光素子２０の外側に配置すると、発光素子２０に対して特定の方位の光のみが遮断され、色むらが強く現れるためである。また、図８に示すようにフリップチップ実装される発光素子２０は、通常、実装面側に反射電極が形成されるため、発光素子２０の直下に遮光性の部材を設けても、発光素子２０の直下に取り出される光が少なく、発光素子２０から出射する光は阻害され難い。

以上の実施形態は単なる例示であり、本件発明はこれらに限定されない。また、本件発明の各要素は、上記実施の形態で説明した部材で構成する場合に限られず、発明の複数の要素を単一の部材で構成したり、一つの要素を複数の部材で構成することもできる。

１０発光装置
１２実装基板
１２ａ、１２ｂ配線
１４側壁
１６パッケージ
１６ａ凹部
１７粒子
１８散乱面
２０発光素子
２４第１の波長変換部材
２６第２の波長変換部材
２８封止部材
３０波長変換部材
３２支持部材
３４基板
３６ｎ型窒化物半導体層
３８発光層
４０ｐ型窒化物半導体層
４２ｎ側電極
４４ｐ側オーミック電極
４６ｐ側パッド電極
４８保護絶縁膜
５０導電部材
５２はんだ
５４蛍光体粒子
５５蛍光体保持部材
５６蛍光体層
７２発光半導体チップ組立体
７４蛍光体チップ
７６接着剤
７８発光ダイオードチップ
８０基板
８２蛍光体層
８４アノード電極
８６カソード電極
８８アノードリード
９０カソードリード
９０ａカップ部
９２発光装置
９４光散乱剤
９６保護接着剤

Claims

上面が開口した凹部を有する収納器中に、半導体を発光層とする発光素子と、前記発光素子の発光の一部を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材とを備え、前記発光素子の発光と前記波長変換部材の発光とを混合して前記凹部の開口から出射する発光装置であって、
前記波長変換部材は、第１の波長変換部材と第２の波長変換部材とを有し、
前記収納器の底面上に、透光性の支持部材を介して、前記第１の波長変換部材と、発光素子と、前記第２の波長変換部材とが、順次前記凹部の開口に向かって、前記凹部の側面から離間するように形成され、
前記第１の波長変換部材は、無機材料から成る無機バインダーと蛍光体とが複合された板状部材であり、
前記凹部の側面には、少なくとも前記第１の波長変換部材の側面から第１の波長変換部材の主面に対して平行に出射した光が照射される部分に散乱面が形成されていることを特徴とする発光装置。
前記第２の波長変換部材は、透光性樹脂中に蛍光体が分散されて成ることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材中における前記無機バインダーと前記蛍光体との屈折率差よりも、前記第２の波長変換部材中における前記透光性樹脂と前記蛍光体の屈折率差が大きいことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材は、前記発光素子よりも厚いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材は、前記第２の波長変換部材よりも厚いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材に含まれる蛍光体の濃度は、前記第２の波長変換部材に含まれる蛍光体の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子の上面及び側面は、前記第２の波長変換部材によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材の側面は、前記第２の波長変換部材に覆われていないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１の波長変換部材の上面のうち、前記発光素子の近傍は前記第２の波長変換部材によって覆われる一方、前記第１の波長変換部材の外周近傍は前記第２の波長変換部材に覆われていないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光装置。