JP2005020010A - 白色発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】長時間の有効動作寿命を有し、電力効率が高く、良好な電力消費特性を有する新規な白色発光デバイスを提供する。
【解決手段】発光デバイス１００は、レーザダイオード１０２と、レーザダイオード１０２からの光を受光するように配置された蛍光体組成物１１０とを含む発光デバイス１００であって、蛍光体組成物１１０が、レーザダイオード１０２からの光を受光し、レーザダイオード１０２からの光より長波長の光を発光することができるよう構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に発光デバイスに関し、特に、蛍光体層を有し、白色発光源およびその他の用途として有用な発光ダイオードに関する。

従来の白色光源としては、白熱灯および蛍光灯などのデバイスが挙げられる。こうしたデバイスは、特にサイズ、電力消費量および限られた動作寿命を含むいくつかの望ましくない特性を有する。特性が改善された別の白色光源が望まれる。

半導体デバイスは、電力効率および費用効率が高い白色光源を発見することを目標にして、代替白色光源として研究されてきた。発光ダイオード（ＬＥＤ）は小型であり、透明色の光を高効率で発光する。ＬＥＤは、固体素子であるため、動作寿命が長く、初期駆動特性が良好であり、良好な耐振動性を示し、反復的なＯＮ／ＯＦＦ動作に耐える。したがって、ＬＥＤは、各種指標および各種光源などの用途に広く使用されて来た。ＬＥＤは、多くの用途において、電力消費量が少ない適切な光源を提供することができる。

従来のＬＥＤは、一般に、狭い発光スペクトルを有するため（単色光を生成する）、白色光を提供するのに必要な広い発光スペクトルを持たない。最近、白色光を提供するために、赤色、緑色および青色（Ｒ、ＧおよびＢ）の３つの光の成分を提供するＬＥＤの組合せを使用するデバイスが使用されていた。これらの発光ダイオードを使用する大型スクリーンのＬＥＤディスプレイは、既に使用されていた。ＬＥＤが発光する光を散乱および混合するための方策は、こうしたデバイスの光の発光に望ましい色調、輝度およびその他の要素の白色光を生成するために、こうしたデバイスでは重要になった。また、３つのダイオード（Ｒ、ＧおよびＢ）を組み合わせて白色光を提供するには、単一ダイオードよりも大きいパッケージが必要である。最近開発されたデバイスは、単一の半導体チップ上に複数の光生成活性領域を含み、複数の活性領域の各々は、活性領域の組合せが、白色光を発光する可視スペクトルをカバーするように、別個の波長領域で発光する。

白色光を生成するためのもう1つの代表的な方法は、紫外または青色発光ダイオード（ＬＥＤ）を、ＬＥＤ発光を比較的長波長の光にダウンコンバートする発光性材料（蛍光体など）に結合する。こうしたデバイスでは、発光ダイオードの活性領域からの紫外または青色発光は、ＬＥＤが発光する光を受光するように配置された蛍光体組成物を活性化（励起）する。その結果、励起された蛍光体組成物は、比較的長波長で光を発光する。最終的な結果は、可視スペクトル上で複数の波長を有する光を発光する発光デバイスである。可視スペクトル上の異なる波長の適切な組合せは、人の眼では白色光として感知することができる。蛍光体の組成物は、一般に、発光する光のカラーバランスを変更するように調節される。場合によっては、蛍光体組成物は、各々の蛍光体が異なる波長で発光する１つ以上の蛍光体を含む。

たとえば、特許文献１および２には、反射カップ内に配置された青色ＬＥＤが蛍光体組成物により囲まれた発光デバイスが開示されている。青色ＬＥＤは、一部が蛍光体組成物中の蛍光体を励起する青色光を発光する。蛍光体は、励起後に赤色光および緑色光を発光するように選択される。このデバイスは、一般に、青色光（ＬＥＤからの吸収されない発光）、赤色光および緑色光（蛍光体から）の組合せを発光する。光の波長の組合せは、人の眼では白色として感知することができる。蛍光体は、一般に、デバイスの寿命期間にわたって老化し、ＬＥＤ発光がより長波長に変換される効率を変化させる。したがって、デバイスが出力する光の特性は、特に複数の蛍光体を使用する場合、デバイスの寿命時間にわたって変化する。

また、後述のように、特許文献３には、電気泳動プロセスを利用した、ＬＥＤの製造プロセスについて記載される。更に、特許文献４、５には、結合剤材料、透明ポリマー、および蛍光体について記載される。
米国特許第５，８１３，７５３号 米国特許第５，９９８，９２５号 米国特許出願公開 ２００２−１８７５７１号 米国特許第６，１８０，０２９号 国際出願公開ＷＯ００／３３３９０号

したがって、比較的小型で軽量であり、長時間の有効動作寿命を有し、電力効率が高く、経済的な白色発光デバイスが望まれる。

さらに、本発明は、従来技術における上述の問題に対処して、望ましい電力消費特性を有する新規な白色発光デバイスを提供する。

本発明は、レーザダイオードと、レーザダイオードからの光を受光するように配置された蛍光体組成物とを有する発光デバイスを提供する。レーザダイオードは、一般に３４０ｎｍから４９０ｎｍの範囲の光を発光するように構成される。蛍光体組成物は、レーザダイオードからの光を吸収して、レーザダイオードから発光される光より長波長を有する光を発光する。代表的な実施態様では、蛍光体組成物は、可視スペクトルの赤色および緑色部分の光を発光するように構成される。赤色光は一般に５９０ｎｍから６５０ｎｍの範囲であり、緑色光は一般に５２０ｎｍから５５０ｎｍの範囲である。もう１つの実施態様では、５６０ｎｍから５８０ｎｍの範囲など、可視スペクトルの黄色部分の光を発光するように構成される。

蛍光体組成物は、一般に少なくとも１種類の蛍光体粒子を含むが、特定の実施態様は、たとえば第１の種類の蛍光体粒子および第２の種類の蛍光体粒子など、２種類（またはそれ以上）の蛍光体粒子を含む場合がある。実施態様によっては、第１の種類の蛍光体粒子は励起後に赤色光を発光し、第２の種類の蛍光体粒子は励起後に緑色光を発光する。特定の実施態様では、蛍光体組成物は、励起後に黄色光を発光する種類の蛍光体粒子を含む。一実施態様では、蛍光体組成物は、３種類の蛍光体粒子、たとえば、励起後に青色光を発光する第１の種類の蛍光体粒子と、励起後に緑色光を発光する第２の種類の蛍光体粒子と、励起後に赤色光を発光する第３の種類の蛍光体粒子とを含む。蛍光体組成物は、一般に、蛍光体粒子を蛍光体支持表面に固定する結合剤材料をさらに含む。

即ち、本発明は、レーザダイオードと、レーザダイオードからの光を受光するように配置された蛍光体組成物とを含む発光デバイスであって、蛍光体組成物が、レーザダイオードからの光を受光し、レーザダイオードからの光より長波長の光を発光することができるよう構成される。

好ましくは、発光デバイスは、白色光発光デバイスとされる。

好ましくは、蛍光体組成物は、第１の種類の蛍光体粒子と、第２の種類の蛍光体粒子とを含み、前記第１の種類の蛍光体粒子が、励起後に赤色光を発光し、前記第２の種類の蛍光体粒子が、励起後に緑色光を発光する。

好ましくは、第１の種類の蛍光体粒子は、約５９０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

好ましくは、第１の種類の蛍光体粒子は、ＳｒＳ：Ｅｕ^２+、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｍｎ^２＋、（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ^＋、Ｍｇ_４ＧｅＯ_５．５Ｆ：Ｍｎ^４＋およびＺｎＳ：Ｍｎ^２＋から選択される材料を含む。

好ましくは、第２の種類の蛍光体粒子は、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

好ましくは、第２の種類の蛍光体粒子は、蛍光体組成物が、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２+およびＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌから選択される材料を含む。

好ましくは、第１の種類の蛍光体粒子は、約５９０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

好ましくは、蛍光体組成物は、励起後に黄色光を発光する蛍光体粒子を含む。

好ましくは、蛍光体粒子は、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

好ましくは、蛍光体粒子は、（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｐｒを含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、レーザダイオードの表面に配置されたコンフォーマルコーティングである。

好ましくは、コンフォーマルコーティングは、約１５μｍから約１５０μｍ厚である。

好ましくは、蛍光体組成物は、レーザダイオードからの光を受光するように配置されたレンズの表面に配置される。

好ましくは、蛍光体組成物は、蛍光体粒子が内部に懸濁している透明なポリマーマトリックスを含み、透明なポリマーマトリックスがレンズを構成し、透明なポリマーマトリックスが、レーザダイオードからの光を受光し、発光デバイスからの光を方向付けるように配置される。

好ましくは、蛍光体組成物は、ＳｒＳ：Ｅｕ^２＋およびＣａｓ：Ｅｕ^２＋から選択される材料を含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｍｎ^２＋および（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ^＋から選択される材料を含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、Ｍｇ_４ＧｅＯ_５．５Ｆ：Ｍｎ^４＋およびＺｎＳ：Ｍｎ^２＋から選択される材料を含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋およびＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌから選択される材料を含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｐｒを含む。

好ましくは、蛍光体組成物は、約６２０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の第１ピーク発光波長を有する。

好ましくは、蛍光体組成物は、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲の第２ピーク発光波長を有する。

好ましくは、蛍光体組成物は、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。

好ましくは、蛍光体組成物は、約１３μｍから約２０μｍの範囲の平均粒径を有する蛍光体粒子を含む。

好ましくは、レーザダイオードは、青色レーザダイオードとされる。

好ましくは、レーザダイオードは、紫色レーザダイオードとされる。

好ましくは、レーザダイオードは、紫外レーザダイオードとされる。

好ましくは、レーザダイオードは、パルスモードで動作する。

本発明のその他の目的、利点および新規な特徴は、以下の説明および実施例に部分的に記載されており、当業者にとっては、以下の明細書の説明から明白になるか、または本発明の説明により理解されるであろう。本発明の目的および利点は、添付の請求の範囲に特に記載された器具、組合せ、組成物および方法により実現および達成することができる。

本発明の上記およびその他の特徴は、本明細書の方法の代表的な実施態様に関する説明、および本発明の方法を実施するための具体的な装置の開示事項を図面に関連して読むと理解されるであろう。

分かりやすくするために、実際的である場合は同一の参照符号を使用して、図面に共通の対応する要素を示す。図面の構成要素は、一定の比で示され、拡大縮小されていない。

本発明について詳細に説明する前に、特記しない限り、本発明は特定の材料、試薬、反応材料、製造方法などに限定されないことを理解するべきであり、これらは、変更することができる。また、本明細書で使用する専門用語は、特定の実施態様を説明する目的でのみ使用するのであり、制限する意図はない。本発明では、各ステップは、理論的に可能な場合、異なる順序で実施することが可能である。しかし、以下に記載する順序が好ましい。

本明細書および添付の請求の範囲で使用する場合、単数形は、文脈上明らかにそうではない場合を除いて、複数の対象を含むことに注意しなければならない。したがって、たとえば「１個の蛍光体粒子」と記載されている場合、複数の蛍光体粒子を含む。本明細書および以下の請求の範囲では、多くの用語について言及するが、相反する意図が明白な場合を除いて、以下の意味を有するものと定義する。

本明細書で使用する場合、「レーザダイオード」は、半導体層の積層体を有するデバイスであって、二重ヘテロ構造と、デバイスを貫流する電流を生成するようにバイアスされた時に光を発光する活性領域と、光共振器と、積層体に取り付けられた接点とを含むデバイスを意味する。「ＬＥＤ」または「発光ダイオード」は、半導体層（「チップ」）の積層体を有するデバイスであって、デバイスを貫流する電流を生成するようにバイアスされた時に光を発光する活性領域と、積層体に取り付けられた接点とを含むデバイスを意味し、ＬＥＤは、二重へテロ構造および光共振器を備えない。「青色発光ダイオード」は、たとえば約４４０ｎｍから約４９０ｎｍの波長範囲の青色光を発光するレーザダイオードである。「紫色レーザダイオード」は、たとえば約４００ｎｍから約４４０ｎｍの波長範囲の紫色光を発光するレーザダイオードである。「紫外レーザダイオード」は、たとえば約２００ｎｍから約４００ｎｍの範囲の波長の紫色光を発光するレーザダイオードである。特定の実施態様では、紫外レーザダイオードは、約３４０ｎｍから約４００ｎｍの範囲の波長の紫外光を発光する。レーザダイオードまたは蛍光体組成物から発光する光に関しては、相反する範囲が明示的に提示されない限り、赤色と記載されている光は、５９０ｎｍから約６５０ｎｍの波長を有し、黄色光は５６０ｎｍから５８０ｎｍの波長を有し、緑色光は５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲の波長を有し、青色光は４４０ｎｍから約４９０ｎｍの範囲の波長を有し、紫色光は、４００ｎｍから約４４０ｎｍの範囲の波長を有し、紫外光は２００ｎｍから約４００ｎｍの範囲（一般に、約３４０ｎｍから約４００ｎｍ）の範囲の波長を有し、本明細書では、この文に明記した１つまたは複数の範囲の波長を有する光を発光するレーザダイオードおよび蛍光体組成物を有する本発明の実施態様を特に意図し、本明細書に包含する。

「蛍光体」は、ある波長の光を吸収し、異なる波長の光を発光する発光材料である。「発光デバイス」は、レーザダイオードおよび蛍光体組成物を含むデバイスであり、蛍光体組成物は、レーザダイオードから光を受光し、レーザダイオードが発光した光よりも長波長を有する光を発光するように構成される。「励起」は、蛍光体組成物が光を受光するプロセスを意味する。「白色発光デバイス」は、白色光を生成することが可能な発光デバイスを意味する。「白色光」は、典型的な人の観察者が白色であると感知する光であり、白色光の特定の実施態様としては、約３０００Ｋから約６５００Ｋの範囲の「相関色温度」（ＣＣＴ）を有し、約８５を超える演色評価数（「ＣＲＴ」）を有する光が挙げられる。より代表的な実施態様では、ＣＣＴは、約４８００Ｋから約６５００Ｋの範囲である。これに関連して、ＣＣＴは、色度が光源の色度に最も密接に似ている理論上の黒体の絶対温度として定義される（ケルビン温度として表現される）。ＣＲＩは、光源が、標準と相対的な個々の色を示す能力の指標であり、ＣＲＩ値は、同じ相関色温度の標準（一般に黒体）と対照されるランプのスペクトル分布の比較から導かれる。ＣＣＴおよびＣＲＩは共に公知であり、産業界で使用されている。

本明細書で使用する場合、たとえば蛍光体組成物またはレーザダイオードからの光の発光が、特定の波長で発生すると記載されているか、または特定の波長範囲で発生すると記載されている場合、発光は、３４０ｎｍから７００ｎｍの範囲のある波長で発生する発光の最大相対強度の少なくとも約１０％（一般には、少なくとも約２０％）である必要があると解釈するものとする。したがって、蛍光体粒子（または蛍光体組成物）が、約６００ｎｍから約６２５ｎｍの範囲の波長を有する光を発光すると記載されている場合、発光される光は、３４０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲全体において最も強度な発光（蛍光体粒子による）を示す波長の強度と比較して、約６００ｎｍから約６２５ｎｍの範囲の波長において同程度の強度の少なくとも約１０％（一般には少なくとも約２０％）であるべきであることが意図されている。本明細書で使用する場合、特定要素（たとえば蛍光体組成物またはレーザダイオード）からの光の発光が、特定波長（または特定範囲）におけるピーク発光波長を有すると記載されている場合、特定の波長（または特定範囲内の波長）における発光強度は、３４０ｎｍから７００ｎｍの範囲のある波長で発生する最大相対発光強度の少なくとも約３０％（一般には約４０％）である必要があると解釈するべきである。

本発明の実施には、特記しない限り、従来技術の範囲内である半導体製造、実装、コーティング、材料合成などの従来の技術を使用する。こうした技術は、上記文献に完全に説明されている。

以下の実施例は、本明細書で開示して請求する方法をどのように実施し、組成物をどのように使用するかに関する完全な開示事項および説明を当業者に提供するために記載する。数値（たとえば量、温度など）が正確であるように努力したが、多少の誤差および偏差はあると考えるべきである。特記しない限り、部分は重量部、温度は℃、圧力は１気圧である。標準温度および圧力は、２０℃および１気圧と定義される。

次に、添付の図面を参照して、記載されている本発明の実施態様について以下に説明する。図１を参照すると、本発明による発光デバイス１００が示されている。発光デバイス１００は、半導体チップの形態のレーザダイオード１０２を備える。レーザダイオード１０２は、電子部品業界で一般に使用されている類の「金属缶」タイプのパッケージの基部１０６上に支持されるサブマウントヒートシンク１０４上に配置される。金属缶タイプのパッケージは、ケーシング壁部１０８を備え、ケーシング壁部１０８の一方の端部は基部１０６に結合され、ケーシング壁部１０８の対向端部は透明なキャップ１０９に結合される。レーザダイオード１０２の表面は、蛍光体組成物１１０で被覆される。レーザダイオード１０２に隣接する接触端子１１２ａ、１１２ｂは、相互接続ワイヤ１１４ａ、１１４ｂを介してレーザダイオード１０２の接点と電気的に接続する。接触端子１１２ａ、１１２ｂは、基部１０６からパッケージの外側に延在し、接触端子１１２ａ、１１２ｂに印加される電位をレーザダイオード１０２に接続することを可能にする。ドームレンズ１１８は透明キャップ１０９に隣接して配置され、発光デバイス１００からの光を方向付ける。これに関連して、発光デバイスからの光を方向付けることには、レーザダイオードおよび／または蛍光体組成物からの光を収束および／または拡散することを含む。

使用時、電位は接触端子１１２ａ、１１２ｂを横断して印加され、レーザダイオード１０２を駆動する。レーザダイオード１０２は、印加される電位に応じて光を発光する。レーザダイオードから発光された光は蛍光体組成物１１０を通過し、蛍光体組成物中の蛍光体粒子は、レーザダイオードから発光された光（「励起光」）の一部を吸収する。蛍光体粒子による励起光の吸収は、励起光のダウンコンバーション（より長波長に変換する）を生じ、その結果、励起光より長波長を有する光を生成する。したがって、発光デバイスは、（ａ）レーザダイオードから発光されて蛍光体層を通過する（吸収されない）光と、（ｂ）蛍光体組成物から発光されて、蛍光体が吸収し、レーザダイオードが発光する光のダウンコンバーションから生じる光とにより複数の波長成分を有する光を発光する。

本発明によるデバイスのもう１つの実施態様を図２に示す。本発明による発光デバイス１００は、半導体チップの形態のレーザダイオード１０２を備える。レーザダイオード１０２は、電子部品業界で一般に使用されている類の金属缶タイプのパッケージの基部１０６上に支持されたサブマウントヒートシンク１０４上に配置される。金属缶タイプのパッケージはケーシング壁部１０８を備え、ケーシング壁部１０８の一方の端部は基部１０６に結合され、ケーシング壁部１０８の対向端部は透明なキャップ１０９に結合される。透明キャップ１０９の表面は、蛍光体組成物１１０で被覆される。レーザダイオード１０２に隣接する接触端子１１２ａ、１１２ｂは、相互接続ワイヤ１１４ａ、１１４ｂを介してレーザダイオード１０２の接点と電気的に接続する。接触端子１１２ａ、１１２ｂは、基部１０６からパッケージの外側に延在し、接触端子１１２ａ、１１２ｂに印加される電位がレーザダイオード１０２に接続されるのを可能にする。ドームレンズ１１８は透明キャップ１０９に隣接して配置され、発光デバイス１００からの光を方向付ける。

図２に示す実施態様は、図１に示す実施態様に関して記載した方法とほぼ同様の手法で示される。使用の際、電位は接触端子１１２ａ、１１２ｂを横断して印加され、レーザダイオード１０２を駆動する。レーザダイオード１０２は、印加された電位に応じて光を発光する。レーザダイオードから発光された光は蛍光体組成物１１０を通過し、蛍光体組成物中の蛍光体粒子は、レーザダイオードから発光された光（励起光）の一部を吸収する。蛍光体粒子による励起光の吸収により、光のダウンコンバーションが生じ、その結果、励起光よりも長波長を有する光が生成される。したがって、発光デバイスは、（ａ）レーザダイオードから発光されて蛍光体層を通過する（吸収されない）光、および（ｂ）蛍光体組成物から発光されて蛍光体が吸収し、レーザダイオードが発光する光のダウンコンバーションから生じる光により、複数の波長成分を有する光を発光する。

所望の波長範囲の光を出力するレーザダイオードは、潜在的に本発明による発光デバイスに使用することができる。本発明によるデバイスに使用するのに適するレーザダイオードの例としては、青色レーザダイオード、紫色レーザダイオード、紫外レーザダイオードが挙げられる。特定の実施態様では、レーザダイオードは、約３４０ｎｍから約４００ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する紫外レーザダイオードであり、実施態様によっては、紫外レーザダイオードは、約２００ｎｍから約４００ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する場合がある。もう１つの実施態様では、青色レーザダイオードは、約４４０ｎｍから約４９０ｎｍの範囲の光を発光する炭化ケイ素基板レーザダイオード上の窒化ガリウムである。さらにもう１つの実施態様では、レーザダイオードは、約４００ｎｍから約４４０ｎｍの範囲の光を発光する紫外レーザダイオードである。実施態様によっては、紫色レーザダイオードは、約４０５ｎｍから約４３０ｎｍの範囲の光を発光する。正確な波長範囲は、使用可能な光源、発光デバイスの所望の色属性（たとえば、発光される白色光の「相関色温度」）、蛍光体組成物の選択肢などの選択により決まる。こうした設計パラメーターの変形は、本明細書の開示事項を前提として、当業者の技術の範囲内である。

特定の実施態様では、レーザダイオードはパルスモードで動作可能である。実施態様によっては、レーザダイオードは連続波モードで動作可能である。発光デバイスは、パルスモードおよび／または連続波モードでレーザダイオードを動作させるための駆動回路を含む。レーザダイオードは、０℃未満、たとえば約−２１０℃から約−８０℃の範囲の温度で動作可能である。一般に、レーザダイオードは、約２０℃から約１００℃の範囲の温度、より一般的には約０℃から８０℃の範囲の温度で動作可能である。特定の実施態様では、発光デバイスは、先行技術で公知の熱電冷却素子などの温度制御デバイスをさらに備える。

レーザダイオードは、一般に、任意にサブマウントヒートシンクを介して基部に実装される。基部は、レーザダイオード、ヒートシンク、任意のサブマウント、および／または接触端子のうち１つまたは複数を機械的に支持するのに適する任意の材料で良い。レーザダイオードは、炭化ケイ素またはその他のサブマウント上に実装される。特定の実施態様では、レーザダイオードは、金属缶タイプのパッケージ内に配置されるが、発光デバイスの支持要素と同じ機能を果たし、しかも、光を発光デバイスから方向付けることを可能にする何らかのパッケージをパッケージとして使用して良い。レーザダイオードは、半導体積層体と、半導体積層体を横断してバイアスを付与するための接点とを有する。接点は、一般に、接触端子にワイヤボンドされる。

図１に示す実施態様では、レーザダイオードは、蛍光体組成物で被覆される表面を有する。図２に示す実施態様では、蛍光体組成物は、透明キャップの表面に配置される。その他の実施態様では、蛍光体組成物は、その他の位置、たとえばレンズの表面、またはレーザダイオードとレンズとの中間にある別個の構造の表面に配置されるが、蛍光体組成物は、レーザダイオードから光を受光するように配置しなければならない。蛍光体組成物が配置される表面は、本明細書では、蛍光体支持表面と記載する。蛍光体組成物は、当業界で承認されている任意の技術、たとえばコーティング、スピンコーティング、成形、マトリックス中へのカプセル化、またはその他の適切な手段により、蛍光体支持表面上に蒸着される。蛍光体支持表面上の蛍光体組成物の厚さは、一般に約１５μｍから約１５０μｍの範囲、より一般的には約２０μｍから約１２０μｍの範囲、さらに一般的には約２５μｍから約１００μｍの範囲だが、特定の実施態様では、これらの範囲外でも良い。蛍光体組成物は、一般に、蛍光体支持表面上のコンフォーマル（等角）コーティングであろう。コンフォーマルコーティングは、均一な厚さを有するコーティングであり、厚さは、約２０％を超えて変化せず、一般には約１０％を超えて変化しない。蛍光体組成物は、電気泳動プロセス、たとえば米国特許出願公開第２００２−１８７５７１号（特許文献３）、または２００３年４月２８日に出願された米国特許出願第１０／４１５，８６０号に記載されているプロセスにより蛍光体支持表面上に蒸着される。

別法による実施態様では、蛍光体組成物は、レーザダイオードと透明なキャップとの中間に配置された樹脂などの透明なポリマーマトリックス中に懸濁している蛍光体粒子を含む。あるいは、透明なポリマーマトリックスは、レーザダイオードを部分的に囲んで良い。同様に、レンズおよび／または透明なキャップは、蛍光体粒子が懸濁している透明なポリマー材料から製造される。蛍光体粒子が内部に懸濁している透明なポリマー材料から製造されたこうしたレンズおよび／または透明なキャップは、レーザダイオードからの光を受光し、発光デバイスからの光を方向付けるように配置される。こうした実施態様では、ポリマーを通る光の経路の長さは一般に変化するため、出力される光の空間的変化が大きい。様々な実施態様では、レンズは、発光デバイスの所望の光出力特性に応じて異なる構成を有することができ、たとえば、レンズはドームレンズ、平面レンズまたはその他の適切な構成で良い。

蛍光体組成物は、各々が独自の発光特性を有する少なくとも１種類、一般に少なくとも２種類（または３種類もしくは４種類）の蛍光体粒子を含む。一実施態様では、蛍光体組成物は、２種類の蛍光体粒子（第１の種類の蛍光体粒子および第２の種類の蛍光体粒子）を含む。一実施態様では、レーザダイオードは、青色レーザダイオードまたは紫色レーザダイオードから選択され、第１の種類の蛍光体粒子は、レーザダイオードからの光により、励起後に赤色光を発光することができ、第２の種類の蛍光体粒子は、レーザダイオードからの光により励起後に緑色光を発光することができる。したがって、こうした実施態様では、発光デバイスは、（ａ）レーザダイオードから発光されて蛍光体層を通過する（吸収されない）光、（ｂ）蛍光体が吸収し、レーザダイオードが発光する光のダウンコンバーションから生じる赤色光、および（ｃ）蛍光体が吸収し、レーザダイオードが発光する光のダウンコンバーションから生じる緑色光により、複数の波長成分を有する光を発光する。その結果は、白色光を発光する発光デバイスである。

もう１つの実施態様では、蛍光体組成物は、励起後に青色光または紫色光により、たとえば約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲の波長を有する黄色光を発光することが可能な種類の蛍光体粒子を含み、レーザダイオードは、青色レーザダイオードまたは紫色レーザダイオードから選択される。したがって、発光デバイスのこうした実施態様は、（ａ）蛍光体層を通過する（吸収されない）レーザダイオードにより発光される光、および（ｂ）蛍光体が吸収し、レーザダイオードが発光する光のダウンコンバーションから生じる黄色光により、複数の波長成分を有する光を発光する。その結果は、白色光を発光する発光デバイスである。

一実施態様では、蛍光体組成物は、３種類の蛍光体粒子（第１の種類の蛍光体粒子、第２の種類の蛍光体粒子および第３の種類の蛍光体粒子）を含む。一実施態様では、レーザダイオードは紫外レーザダイオードであり、第１の種類の蛍光体粒子は、励起後に赤色光を発光することができ、第２の種類の蛍光体粒子は励起後に緑色光を発光することができ、第３の種類の蛍光体粒子は、励起後に青色光を発光することができる。したがって、こうした実施態様では、発光デバイスは、（ａ）蛍光体層を通過する（吸収されない）紫外光、（ｂ）蛍光体が吸収する光のダウンコンバーションから生じる赤色光、（ｃ）蛍光体が吸収する光のダウンコンバーションから生じる緑色光、および（ｄ）蛍光体が吸収する光のダウンコンバーションから生じる青色光により、複数の波長成分を有する光を発光する。その結果は、白色光を発光する発光デバイスである。

白色発光デバイスの別法による実施態様では、デバイスは、紫外レーザダイオードと、２種類の蛍光体粒子（第１の種類の蛍光体粒子および第２の種類の蛍光体粒子）を含む蛍光体組成物とを含む。こうした実施態様では、第１の種類の蛍光体粒子は、励起後に黄色光を発光することができ、第２の種類の蛍光体粒子は、励起後に青色光を発光することができる。したがって、こうした実施態様では、発光デバイスは、（ａ）蛍光体層を通過する（吸収されない）紫外光、（ｂ）蛍光体が吸収する光のダウンコンバーションから生じる黄色光、および（ｃ）蛍光体が吸収する光のダウンコンバーションから生じる青色光により、複数の波長成分を有する光を発光する。その結果は、白色光を発光する発光デバイスである。

蛍光体組成物は、一般に、蛍光体粒子と、蛍光体粒子を蛍光体支持表面に固定する結合剤材料とを含む。適切な結合剤は、蛍光体支持表面を被覆するために使用する特定の方法に関して選択する。適切な結合剤は、先行技術に記載されており、公知である。結合剤材料は、光結合エポキシ樹脂（たとえば、パシフィックポリマーテクノロジー（Ｐａｃｉｆｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）から市販のＰＴ１００２）、などの有機材料、光結合シリコーン（たとえば、ナイルブリカンツ（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ）が供給するシリコーン）、無機金属酸化物またはガラスフリット粉末（たとえば、ＰｂＯベースのガラス）で良い。結合剤材料は、蛍光体粒子が蛍光体支持表面上に蒸着された後に、選択的な蒸着および毛管作用により、蛍光体マトリックス中に注入される。結合剤材料は、電気泳動蒸着プロセスで、蛍光体支持表面上に蛍光体粒子と共に同時に蒸着される。さらに、燐光変換ダイオードに使用される結合剤材料、透明ポリマー、および蛍光体が記載されている米国特許第６，１８０，０２９号（特許文献４）および国際出願公開ＷＩＰＯ発行番号００／３３３９０号（特許文献５）を参照。

蛍光体粒子は、ダウンコンバーションが可能であり、比較的短波長の光により刺激を与えた後（励起後に）、比較的長波長の光を生成（発光）することが特徴である。蛍光体組成物は、各々が独自の発光特性を有する少なくとも１種類、一般に少なくとも２種類（または３種類もしくは４種類）の蛍光体粒子を含む。少なくとも２種類の蛍光体粒子を有する実施態様では、第１の種類の蛍光体粒子は励起後に赤色光を発光し、第２の種類の蛍光体粒子は、励起後に緑色光を発光する。赤色発光の場合、蛍光体組成物に使用するのに適する代表的な蛍光体粒子は、ＳｒＳ：Ｅｕ^２+、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｍｎ^２＋、（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ^＋、Ｍｇ_４ＧｅＯ_５．５Ｆ：Ｍｎ^４＋、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^２＋、ＺｎＳ：Ｍｎ^２＋、並びに本明細書に記載するように、励起した後、可視スペクトルの赤色領域に発光スペクトルを有するその他の蛍光体材料から選択された材料を含む。緑色発光の場合、蛍光体組成物に使用するのに適する代表的な蛍光体粒子は、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ、並びに本明細書に記載するように、励起後に可視スペクトルの緑色光に発光スペクトルを有するその他の蛍光体材料から選択された材料を含む。特定の実施態様では、青色発光蛍光体粒子は、赤色および緑色発光蛍光体のほかに蛍光体組成物中に含まれ、適切な青色発光蛍光体粒子は、たとえばＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ^２＋、Ｍｇまたは本明細書に記載するように、励起後に可視スペクトルの青色領域に発光スペクトルを有するその他の蛍光体材料を含む。もう１つの実施態様では、蛍光体組成物は、励起後に黄色光を生成するように選択される１種類の蛍光体粒子を含む。黄色発光の場合、蛍光体組成物に使用するのに適する代表的な蛍光体粒子は、（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｐｒ、および本明細書に記載するように、励起後に可視スペクトルの黄色領域に発光スペクトルを有するその他の蛍光体材料を含む。

赤色発光蛍光体粒子は、一般に、約５９０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。特定の実施態様では、蛍光体粒子は、約６２０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲、一般に約６２５ｎｍから約６４５ｎｍ、より一般的には約６３０ｎｍから約６４０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約５９０ｎｍから約６２５ｎｍ、一般に約６００ｎｍから約６２０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、一般に約６００ｎｍから約６５０ｎｍ、より一般的には約６１０ｎｍから約６４０ｎｍの範囲、さらに一般的には約６１０ｎｍから約６３０ｎｍの波長を有する光を発光する。

緑色発光蛍光体粒子は、一般に、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。特定の実施態様では、蛍光体粒子は、約５３０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲、一般に約５３５ｎｍから約５４５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約５２０ｎｍから約５３５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲、一般に約５３５ｎｍから約５５０ｎｍ、または約５２０ｎｍから約５３５ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

青色発光蛍光体粒子は、一般に、約４４０ｎｍから約４９０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。特定の実施態様では、蛍光体粒子は、約４５０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲、一般に約４５５ｎｍから約４６５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約４４０ｎｍから約４５０ｎｍ、一般に約４３５ｎｍから約４４５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約４４０ｎｍから約４８０ｎｍ、一般に約４５０ｎｍから約４７０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

黄色発光蛍光体粒子は、一般に、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。特定の実施態様では、蛍光体粒子は、約５６５ｎｍから約５７５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。実施態様によっては、蛍光体粒子は、約５７５ｎｍから約５８５ｎｍの範囲のピーク発光波長を有する。一実施態様では、蛍光体粒子は、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲、一般に約５６５ｎｍから約５７５ｎｍの範囲の波長を有する光を発光する。

正確な波長範囲は、蛍光体の使用可能な光源、発光デバイスの所望の色属性（たとえば、発光される白色光の「相関色温度」）、ＬＥＤの選択肢などの選択により決まる。こうした設計パラメーターの変形は、本明細書の開示事項を前提として、当業者の技術の範囲内である。有用な蛍光体材料およびその他の情報は、ミューラー−マッハ（Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈ）等の「ＩＩＩ族窒化物べ−スの高電力蛍光体変換発光ダイオード」（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＩＩ−Ｎｉｔｒｉｄｅｓ）、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃ．８（２）：３３９（２００２年）に記載されている。

蛍光体粒子は、ある範囲の粒度で得られる。実施態様によっては、蛍光体粒子の平均粒径は２から５μｍの範囲である。より大きい蛍光体粒子は、より効率的に光を発光する傾向があるが、蛍光体粒子の均一なコーティングを得ることは、粒度が増加するにつれて難しくなる。電気泳動蒸着法は、比較的大きい蛍光体粒子、たとえば約１３μｍから約２０μｍの範囲の平均粒径、および約３０μｍから約４５μｍの範囲のｄ_９０を有し、ｄ_９０は、粒子の９０容量％が指示された粒度より小さい粒度であることを意味する蛍光体粒子に満足に使用されて来た。

特定の実施態様の蛍光体粒子は、フォスファーテクノロジーリミテッド（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｔｄ．）（英国、エセックス州）から入手することができる。この調達先から得られる適切な蛍光体は、硫化ストロンチウム：ユウロピウム（ＳｒＳ：Ｅｕ^２+）（部品番号名称はＨＬ６３／Ｓ−Ｄ１）である。この蛍光体材料は、以下に示す粒度分布を有する（５０μｍの粒度測定器で測定）。
超音波分散。容量％で粒度を列挙する。
容量％ ５ ２５ ５０ ７５ ９５
μｍ ２．３ ３．５ ５．０ ７．２ １１．９
四分位偏差：０．３５

この赤色発光蛍光体材料は、約６１５ｎｍの発光波長ピーク、および約４６０ｎｍから４９０ｎｍの範囲の励起波長ピークを有する。

フォスファーテクノロジーリミテッド（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｔｄ．）から得られるもう１つの適切な蛍光体材料は、ストロンチウムチオガレイト：ユーロピウム（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２+）である。この蛍光体材料は、以下に示す粒度分布を有する（５０μｍの粒度測定器で測定）。
超音波分散。容量％で粒度を列挙する。
容量％ ５ ２５ ５０ ７５ ９５
μｍ １．７ ３．１ ５．０ ７．５ １４．７
四分位偏差：０．３２

この緑色発光蛍光体材料は、約５３５ｎｍの発光波長ピーク、および約４４０ｎｍから４７０ｎｍの範囲の励起波長ピークを有する。

フォスファーテクノロジーリミテッド（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｔｄ．）から得られるもう１つの適切な蛍光体材料は、（イットリウム、ガドリニウム）アルミネート蛍光体（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｇｅ、Ｐｒ）である。この蛍光体材料は、以下に示す粒度分布を有する（５０μｍの粒度測定器で測定）。
超音波分散。容量％で粒度を列挙する。
容量％ ５ ２５ ５０ ７５ ９５
μｍ １．７ ２．９ ４．０ ５．６ ９．４
四分位偏差：０．３２

この黄色発光蛍光体材料は、約５７０ｎｍの発光波長ピーク、および約４７０ｎｍの励起波長ピークを有する。

本発明によるデバイスに使用するのに適するその他の蛍光体は、上記およびその他の商業的な調達先から入手することができる。蛍光体の調製は、文献に記載されており、適切な蛍光体は、本明細書の開示事項を前提として当業者が相応に調製することができる。

本発明の上記の実施態様は、本発明を完全に開示する目的で、ある程度詳細に記載したが、当業者には、本発明の精神および原理を逸脱せずに、これらの詳細に多くの変更を加えることができることが明白である。したがって、本発明は、以下の請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

本明細書で言及するすべての特許、特許出願および出版物は、これらの全体を引用することにより本明細書に援用する。

本発明の一実施態様を示す発光デバイスの概略断面図である。 本発明のその他の実施態様を示す発光ダイオードの概略断面図である。

符号の説明

１００ 発光デバイス
１０２ レーザダイオード
１０４ サブマウントヒートシンク
１０６ 基部
１０８ ケーシング壁部
１０９ 透明キャップ
１１０ 蛍光体組成物
１１２ａ 接触端子
１１４ａ 相互接続ワイヤ
１１６ ポリマーマトリックス
１１８ ドームレンズ
１１９ 平面レンズ

Claims (28)

1. レーザダイオードと、該レーザダイオードからの光を受光するように配置された蛍光体組成物とを含む発光デバイスであって、前記蛍光体組成物が、前記レーザダイオードからの光を受光し、前記レーザダイオードからの光より長波長の光を発光することができるよう構成されたことを特徴とする発光デバイス。
2. 前記発光デバイスは、白色光発光デバイスであることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記蛍光体組成物は、第１の種類の蛍光体粒子と、第２の種類の蛍光体粒子とを含み、前記第１の種類の蛍光体粒子が、励起後に赤色光を発光し、前記第２の種類の蛍光体粒子が、励起後に緑色光を発光することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
4. 前記第１の種類の蛍光体粒子は、約５９０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光することを特徴とする、請求項３に記載の発光デバイス。
5. 前記第１の種類の蛍光体粒子は、ＳｒＳ：Ｅｕ^２+、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｍｎ^２＋、（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ^＋、Ｍｇ_４ＧｅＯ_５．５Ｆ：Ｍｎ^４＋およびＺｎＳ：Ｍｎ^２＋から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光デバイス。
6. 前記第２の種類の蛍光体粒子は、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光することを特徴とする、請求項３に記載の発光デバイス。
7. 前記第２の種類の蛍光体粒子は、前記蛍光体組成物が、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２+およびＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌから選択される材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光デバイス。
8. 前記第１の種類の蛍光体粒子は、約５９０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光することを特徴とする、請求項６に記載の発光デバイス。
9. 前記蛍光体組成物は、励起後に黄色光を発光する蛍光体粒子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
10. 前記蛍光体粒子は、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲の波長を有する光を発光することを特徴とする、請求項９に記載の発光デバイス。
11. 前記蛍光体粒子は、（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｐｒを含むことを特徴とする、請求項９に記載の発光デバイス。
12. 前記蛍光体組成物は、前記レーザダイオードの表面に配置されたコンフォーマルコーティングであることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
13. 前記コンフォーマルコーティングは、約１５μｍから約１５０μｍ厚であることを特徴とする、請求項１２に記載の発光デバイス。
14. 前記蛍光体組成物は、前記レーザダイオードからの光を受光するように配置されたレンズの表面に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
15. 前記蛍光体組成物は、蛍光体粒子が内部に懸濁している透明なポリマーマトリックスを含み、前記透明なポリマーマトリックスがレンズを構成し、前記透明なポリマーマトリックスが、前記レーザダイオードからの光を受光し、前記発光デバイスからの光を方向付けるように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
16. 前記蛍光体組成物は、ＳｒＳ：Ｅｕ^２＋およびＣａｓ：Ｅｕ^２＋から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
17. 前記蛍光体組成物は、ＣａＳ：Ｅｕ^２＋、Ｍｎ^２＋および（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ^＋から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
18. 前記蛍光体組成物は、Ｍｇ_４ＧｅＯ_５．５Ｆ：Ｍｎ^４＋およびＺｎＳ：Ｍｎ^２＋から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
19. 前記蛍光体組成物は、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋およびＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌから選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
20. 前記蛍光体組成物は、（Ｙ、Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｐｒを含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
21. 前記蛍光体組成物は、約６２０ｎｍから約６５０ｎｍの範囲の第１ピーク発光波長を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
22. 前記蛍光体組成物は、約５２０ｎｍから約５５０ｎｍの範囲の第２ピーク発光波長を有することを特徴とする、請求項２１に記載の発光デバイス。
23. 前記蛍光体組成物は、約５６０ｎｍから約５８０ｎｍの範囲のピーク発光波長を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
24. 前記蛍光体組成物は、約１３μｍから約２０μｍの範囲の平均粒径を有する蛍光体粒子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
25. 前記レーザダイオードは、青色レーザダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
26. 前記レーザダイオードは、紫色レーザダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
27. 前記レーザダイオードは、紫外レーザダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
28. 前記レーザダイオードは、パルスモードで動作することを特徴とする、請求項１に記載の発光デバイス。
    
    

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