JP2005228802A - 蛍光発光装置、蛍光発光素子、および蛍光体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED素子20が青色光を発光すると、そのエネルギーの一部が蛍光体10に吸収されて、緑色蛍光層13Gおよび赤色蛍光層13Rに添加された希土類あるいは遷移金属元素をそれぞれ励起する。同時に、各蛍光層に閉じ込められたキャリアが該エネルギーにより再結合することによって生じるエネルギーによっても、当該希土類あるいは遷移金属元素が励起される。これにより、緑色蛍光層13Gと赤色蛍光層13Rとから、高効率で緑色光と赤色光とが発光する。蛍光層の組成に電気的制約がないので、電界を与える場合よりも多くの希土類あるいは遷移金属元素を添加することができる点も、発光効率向上に寄与する。LED素子20から発光された青色光と、蛍光体10から発光された緑色光と赤色光とが混合することによって、2色混合よりも発色性に優れた3色混合による白色光の発光が安価に実現される。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置1を模式的に示す図である。図1に示す発光装置1は、蛍光体10と、LED素子20とを備える。
第1の実施の形態においては、青色光を発光する発光光源と、緑色光と赤色光との蛍光を発光する蛍光層とが別体のものとなっていたが、青色光を励起光源として、緑色光と赤色光とを発光させて白色光を得る上で、両者が別体であることは必須の要件ではない。本実施の形態においては、両者が一体となった態様について説明する。
第1および第2の実施の形態は、いずれも、青色光を励起光源として、緑色光と赤色光の蛍光を得ることで白色光を実現する態様であったが、蛍光を利用して白色光を得る態様は、これらに限定されない。本実施の形態においては、異なる構成にて白色光を得る態様について説明する。
第3の実施の形態においては、紫外光を発光する発光光源と、青色光、緑色光、および赤色光の蛍光を発光する蛍光層とが別体のものとなっていたが、紫外光を励起光源として、青色光、緑色光、および赤色光を発光させて白色光を得る上で、両者が別体であることは必須の要件ではない。本実施の形態においては、両者が一体となった態様について説明する。
第3および第4の実施の形態は、紫外光を励起光源として白色光を得る態様であったが、係る態様を実現するにあたって、各色の蛍光層が量子ドット構造を有することは必須の要件ではなく、第1および第2の実施の形態のようなMQW構造を有する態様でも、同様に白色光を得ることができる。本実施の形態においては、係る態様について説明するとともに、上記の実施の形態とは異なるダイオード構造について併せて説明する。
以上の実施の形態において説明したような、MQW構造や量子ドット構造を有する蛍光体(構造)でなくとも、多色光の発光は実現される。本実施の形態では、より簡易な構造で、多色光として例えば白色光を得る態様について説明する。
本実施例においては、図1に示す発光装置1を作製した。まず、蛍光体10の作製においては、基板11として2インチ径の厚さ500μmのC面サファイア単結晶を用い、これを所定のMOCVD装置の反応菅内に設置した。MOCVD装置は、反応ガスあるいはキャリアガスとして、少なくともH2、N2、TMG(トリメチルガリウム)およびNH3が、反応管内に供給可能とされている。反応管内の圧力を100Torrに設定した後、H2を平均流速1m/secで流しながら、基板11を1100℃まで昇温した。
本実施例においては、図2に示す発光装置101を作製した。まず、蛍光体構造110については、MOCVD装置およびMBE装置を用いて、実施例1の蛍光体10と同様に作製した。
本実施例においては、図3に示す発光装置201を作製した。まず、蛍光体210の作製においては、基板211として2インチ径の厚さ500μmのC面サファイア単結晶を用い、これを所定のMOCVD装置の反応菅内に設置した。MOCVD装置は、反応ガスあるいはキャリアガスとして、少なくともH2、N2、TMA、TMG、およびNH3が、反応管内に供給可能とされている。反応管内の圧力を100Torrに設定した後、H2を平均流速1m/secで流しながら、基板211を1100℃まで昇温した。
本実施例においては、図4に示す発光装置301を作製した。まず、蛍光体構造310については、MOCVD装置およびMBE装置を用いて、実施例3の蛍光体210と同様に作製した。
本実施例においては、図5に示す発光装置401を作製した。まず、基板411として2インチ径の厚さ500μmのC面サファイア単結晶を用い、これを所定のMOCVD装置の反応菅内に設置した。MOCVD装置は、反応ガスあるいはキャリアガスとして、少なくともH2、N2、TMA、TMG、およびNH3が、反応管内に供給可能とされている。反応管内の圧力を100Torrに設定した後、H2を平均流速1m/secで流しながら、基板411を1100℃まで昇温した。
本実施例においては、図6に示す発光装置1001を作製した。まず、蛍光体構造1010については、MOCVD装置を用いて、実施例1の蛍光体10と同様に、AlNからなるバッファ層1014と、GaNからなる下地層1012を作製した。引き続き、成長させたGaN層を保護するために、TMGとNH3を平均流速10m/secで流して、GaN膜を厚さ10nm成長させた。
Al、In、Ga、Bを少なくとも1種含む窒化物、つまりはAlxInYGa1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1)を蛍光体として利用するのであれば、上述のように単結晶基板にエピタキシャル成長させる態様のみならず、該窒化物そのものを単結晶、エピタキャル膜、多結晶あるいは粉体等の様々な形態で利用することはもちろん可能である。これらに希土類あるいは遷移金属元素を添加して用いる態様も同様に可能である。
10、210 蛍光体
110、310、410、1010 蛍光体構造
11、111、211,311、411、1011 (蛍光体(構造)の)の基板
12、112、212、312、412。1012 (蛍光体(構造)の)下地層
13、113、213、313、413、1013 蛍光層
13G、113G、213G、313G、413G 緑色蛍光層
13R、113R、213R、313R、413R 赤色蛍光層
14,114、1014 低温バッファ層
20、229 LED素子
120、320、420、1020 ダイオード構造
21、121、221、321、421、1021 n型導電層
22、122、223、323、423、1022 発光層
23、123、222、322、422、1022 クラッド層
24、124、224、324、424、1024 p型導電層
25、125、225、325、425、1025 p型電極
26、126、226、326、426、1026 n型電極
213b、313b、413b 青色蛍光層
27、227 (LED素子の)基板
C1〜C3 キャップ層
I1〜I3 島状結晶
Claims (31)
- Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された添加領域、
を含む蛍光体と、
第1の波長範囲を有する第1の光を発する光源と、
を備え、
前記光源から発光した第1の光によって前記希土類あるいは遷移金属元素を励起することにより、第2の波長範囲を有する第2の光を成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項1に記載の蛍光発光装置であって、
前記添加領域を複数備え、
それぞれの添加領域の組成が隣接する領域の組成と異なる、
ことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項2に記載の蛍光発光装置であって、
前記それぞれの添加領域と前記希土類あるいは元素が添加されていない領域とが交互に層状に配置されてなることを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項3に記載の蛍光発光装置であって、
前記それぞれの添加領域のバンドギャップよりも、前記希土類あるいは元素が添加されていない領域のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項3に記載の蛍光発光装置であって、
前記添加領域は、Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された島状結晶が形成されてなる領域であることを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項2ないし請求項5のいずれかに記載の蛍光発光装置であって、
前記蛍光体は、
それぞれに前記添加領域を含む複数の蛍光領域を有しており、
前記添加領域に添加されている前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素の種類が、それぞれの前記蛍光領域ごとに異なる、
ことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項6に記載の蛍光発光装置であって、
前記光源が前記第1の光として青色光を発光し、
前記蛍光体が、
前記少なくとも1種の希土類あるいは元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
の2つの蛍光領域を備え、
前記光源から発光された青色光によって前記第1および第2の希土類あるいは遷移金属元素を励起して前記第1および第2の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光とを前記第2の光として発光させることにより、前記青色光と前記第2の光とを成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項6に記載の蛍光発光装置であって、
前記光源が前記第1の光として紫外光を発光する光源であり、
前記蛍光体が、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって青色光を発光する第3の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第3の蛍光領域と、
の3つの蛍光領域を備え、
前記光源から発光された紫外光によって前記第1、第2および第3の希土類あるいは遷移金属元素を励起して前記第1、第2および第3の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光と青色光とを前記第2の光として発光させる、
ことを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の蛍光発光装置であって、
前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする蛍光発光装置。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の蛍光発光装置であって、
前記蛍光体が所定の基板にエピタキシャル形成してなるものであることを特徴とする蛍光発光装置。 - Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された添加領域、
を含む蛍光体構造と、
前記蛍光体構造と連接して形成され、第1の波長範囲を有する第1の光を発する発光体構造と、
を備え、
前記発光体構造から発光された第1の光によって前記希土類あるいは遷移金属元素を励起することにより、第2の波長範囲を有する第2の光を成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項11に記載の蛍光発光素子であって、
前記添加領域を複数備え、
それぞれの添加領域の組成が隣接する領域の組成と異なる、
ことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項12に記載の蛍光発光素子であって、
前記それぞれの添加領域と前記希土類あるいは遷移金属元素が添加されていない領域とが交互に層状に配置されてなることを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項13に記載の蛍光発光素子であって、
前記それぞれの添加領域のバンドギャップよりも、前記希土類あるいは遷移金属元素が添加されていない領域のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項13に記載の蛍光発光素子であって、
前記添加領域は、Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された島状結晶が形成されてなる領域であることを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項12ないし請求項15のいずれかに記載の蛍光発光素子であって、
前記蛍光体構造は、
それぞれに前記添加領域を含む複数の蛍光領域を有しており、
前記添加領域に添加されている前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素の種類が、それぞれの前記蛍光領域ごとに異なる、
ことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項16に記載の蛍光発光素子であって、
前記発光体構造が前記第1の光として青色光を発光し、
前記蛍光体構造は、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
の2つの蛍光領域を備え、
前記発光体構造から発光された青色光によって前記第1および第2の希土類あるいは遷移金属元素を励起して前記第1および第2の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光とを前記第2の光として発光させることにより、前記青色光と前記第2の光とを成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項16に記載の蛍光発光素子であって、
前記発光体構造が前記第1の光として紫外光を発光し、
前記蛍光体構造が、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって青色光を発光する第3の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第3の蛍光領域と、
の3つの蛍光領域を備え、
前記発光体構造から発光された紫外光によって前記第1、第2および第3の希土類あるいは遷移金属元素を励起して前記第1、第2および第3の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光と青色光とを前記第2の光として発光させる、
ことを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項11ないし請求項18のいずれかに記載の蛍光発光素子であって、
前記発光体構造がダイオード構造を有することを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項11ないし請求項19のいずれかに記載の蛍光発光素子であって、
前記蛍光体構造および前記発光体構造が所定の基板にエピタキシャル形成してなるものであることを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項20に記載の蛍光発光素子であって、
前記蛍光体構造と前記発光体構造とを積層形成してなることを特徴とする蛍光発光素子。 - 請求項11ないし請求項21のいずれかに記載の蛍光発光素子であって、
前記発光体構造が、Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物を含む発光層を有することを特徴とする蛍光発光素子。 - Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された添加領域、
を含み、
所定の光源から発光された第1の光によって前記希土類あるいは遷移金属を励起することにより、第2の波長範囲を有する第2の光を成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光体。 - 請求項23に記載の蛍光体であって、
前記添加領域を複数備え、
それぞれの添加領域の組成が隣接する領域の組成と異なる、
ことを特徴とする蛍光体。 - 請求項24に記載の蛍光体であって、
前記それぞれの添加領域と前記希土類あるいは遷移金属元素が添加されていない領域とが交互に層状に配置されてなることを特徴とする蛍光体。 - 請求項25に記載の蛍光体であって、
前記それぞれの添加領域のバンドギャップよりも、前記希土類あるいは遷移金属元素が添加されていない領域のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする蛍光体。 - 請求項25に記載の蛍光体であって、
前記添加領域は、Al、In、Ga、Bのうち、少なくとも1種の元素を含む窒化物に少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素が添加された島状結晶が形成されてなる領域であることを特徴とする蛍光体。 - 請求項24ないし請求項27のいずれかに記載の蛍光体であって、
それぞれに前記添加領域を含む複数の蛍光領域を有しており、
前記添加領域に添加されている前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素の種類が、それぞれの前記蛍光領域ごとに異なる、
ことを特徴とする蛍光体。 - 請求項28に記載の蛍光体であって、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
の2つの蛍光領域を備え、
所定の光源から発光された青色光によって前記第1および第2の希土類あるいは遷移金属元素が励起されることにより、前記第1および第2の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光とを前記第2の光として発光することにより、前記青色光と前記第2の光とを成分として有する光を発光する、
ことを特徴とする蛍光体。 - 請求項28に記載の蛍光体であって、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって赤色光を発光する第1の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第1の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって緑色光を発光する第2の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第2の蛍光領域と、
前記少なくとも1種の希土類あるいは遷移金属元素として、励起によって青色光を発光する第3の希土類あるいは遷移金属元素が添加された第3の蛍光領域と、
の3つの蛍光領域を備え、
所定の光源から発光された紫外光によって前記第1、第2および第3の希土類あるいは遷移金属元素を励起されることにより前記第1、第2および第3の蛍光領域からそれぞれ赤色光と緑色光と青色光とを前記第2の光として発光する、
ことを特徴とする蛍光体。 - 請求項23ないし請求項30のいずれかに記載の蛍光体であって、
所定の基板にエピタキシャル形成してなるものであることを特徴とする蛍光体。
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