JP2006210887A - 発光デバイスならびにそれを用いた照明機器および表示機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】光取り出し効率が高い発光デバイスならびにそれを用いた照明機器および表示機器を提供する。
【解決手段】蛍光体１０４を励起する励起光１１０を放射する発光素子１０１と、励起光１１０と異なる波長の蛍光１２０を放射する蛍光体１０４が分散された分散体１０５と、発光素子１０１および分散体１０５を保持するリードフレーム１０６とを含み、分散体１０５中の蛍光体１０４より放射される蛍光の少なくとも一部が、分散体１０５における励起光１１０の入射側１０５ａより外部に取り出されることを特徴とする発光デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子からの励起光を吸収し励起光と異なる波長の光を放射する蛍光体を含む発光デバイスならびにそれを用いた照明機器および表示機器に関する。
近年、蛍光体と、この蛍光体を励起する励起光源として固体発光素子を用いて、白色やその他の色を実現する固体照明技術（半導体照明技術）が急速に発展している。たとえば、青色発光素子とこの青色発光素子より放射される青色光を吸収して黄色を発光する蛍光体とを組み合わせて擬似白色を得る発光デバイス、紫外発光素子とこの紫外発光素子より放射される紫外光を吸収して赤色を発光する赤色蛍光体、緑色を発光する緑色蛍光体および青色を発光する青色蛍光体とを組み合わせて白色を得る発光デバイスなどがある。
前者の発光デバイスは、赤色の成分が少なく演色性に欠しいが色変換に関する損失（ストークス損失）が低く高発光効率が期待できる。一方、後者の発光デバイスは、良好な演色性を有する。
現在、これらの発光デバイスの一般的な形状は、砲弾型や表面実装型といった形状が主流となっている。このうち、たとえば砲弾型の発光デバイスは、図１７を参照して、リードフレーム１７０６上に蛍光体を励起させる励起光を放射する発光素子１７０１が実装されている。ワイヤ１７０３ａにより発光素子１７０１の一方の電極が一方の電極端子１７０７ａに電気的に接続しているリードフレーム１７０６に電気的に接続され、ワイヤ１７０３ｂにより発光素子１７０１の他方の電極が他方の電極端子１７０７ｂに電気的に接続されている。この発光素子１７０１の周りは、蛍光体１７０４が分散された分散体１７０５により覆われている。たとえば青色発光素子から放射された青色の励起光の一部は、周りを覆っているたとえばＹＡＧ：Ｃｅ（セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体によって吸収される。励起光により励起された蛍光体から放射される蛍光は、この蛍光体が分散された分散体１７０５中に伝播する。そして、蛍光は、この分散体１７０５中を透過して凸状の表面形状によりレンズ機能を有する外装体１７０９によって外部に効率よく取り出される（たとえば、特許文献１を参照）。しかしながら、かかる構造を有する発光デバイスであっても、その光取り出し効率は十分ではなく、さらに光取り出し効率が高い発光デバイスの開発が望まれていた。
特開２０００−２８６４５５号公報
本発明は、光取り出し効率が高い発光デバイスならびにそれを用いた照明機器および表示機器を提供することを目的とする。
本発明は、蛍光体を励起する励起光を放射する発光素子と、励起光と異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された分散体と、発光素子および分散体を保持するリードフレームとを含み、分散体中の蛍光体より放射される蛍光の少なくとも一部が、分散体における励起光の入射側より外部に取り出されることを特徴とする発光デバイスである。
本発明にかかる発光デバイスにおいて、分散体中の蛍光体の含有量は、分散体中の蛍光体より放射される蛍光のうち励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度を励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度よりも大きい量とすることができる。また、分散体中の蛍光体の含有量は、分散体中の蛍光体より放射される蛍光のうち、励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度と励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度との合計強度をその最大値の９０％以上の量とすることができる。
また、本発明にかかる発光デバイスにおいて、発光素子を少なくとも１つの窒化物系半導体レーザから形成すること、窒化物系半導体レーザから放射される光がＰ偏光で分散体に入射するように窒化物系半導体レーザと分散体とを配置することができる。
また、本発明にかかる発光デバイスにおいて、発光素子の発光ピーク波長を４００ｎｍから４２０ｎｍとすることができる。分散体中に、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体および黄色蛍光体からなる群のうち少なくとも１つの蛍光体を分散させること、分散体の励起光の透過側に、励起光および蛍光のうち少なくともいずれかを反射する光学膜を設けることができる。ここで、光学膜を金属膜および光散乱材が分散されている膜のうち少なくともいずれかにより形成することができる。分散体中に、さらに光分散材を分散させることができる。分散体における励起光の入射側の表面を凸面状とすることができる。
また、本発明にかかる発光デバイスにおいて、発光素子および分散体を保持するリードフレームが分散体中の蛍光体より放射される蛍光を略一方向に集光する凹形状部を有すること、発光素子および分散体を保持するリードフレームの表面に金属膜および光散乱材が分散された膜のうち少なくともいずれかを形成することができる。また、分散体中の蛍光体より放射される蛍光が外部に取り出される窓部の少なくとも一領域に、励起光および蛍光のうち少なくともいずれかを拡散させる光拡散材を含む光学膜を設けることができる。また、発光素子および分散体を被覆する外装体を形成し、その外装体における蛍光の取り出し窓部面を凸面状とすることができる。
また、本発明は、上記の発光デバイスを少なくとも１つ含む照明機器である。また、本発明は、上記の発光デバイスを少なくとも１つ含み、発光デバイスからの発光の強度を変調する変調器と、変調器により変調された光を受けるようにマトリックス状に配置されたカラーフィルターとを有することを特徴とする表示機器である。
本発明によれば、光取り出し効率が高い発光デバイスならびにそれを用いた照明機器および表示機器を提供することができる。
（実施形態１）
図１を参照して、本発明にかかる発光デバイス１００の一実施形態は、蛍光体１０４を励起する励起光１１０を放射する発光素子１０１と、励起光１１０と異なる波長の蛍光１２０を放射する蛍光体１０４が分散された分散体１０５と、発光素子１０１および分散体１０５を保持するリードフレーム１０６とを含み、分散体１０５中の蛍光体１０４より放射される蛍光の少なくとも一部が、分散体１０５における励起光の入射側１０５ａより外部に取り出されることを特徴とする。
具体的には、本実施形態の発光デバイス１００は、発光素子１０１として発光ピーク波長が４０５ｎｍである砲弾型の窒化物系半導体発光ダイオードが支持体１０２によりリードフレーム１０６に固定されている。この窒化物系半導体発光ダイオード（発光素子１０１）は２つの電極ピンを有し、一方の電極ピンはワイヤ１０３ａにより一方の電極端子１０７ａと電気的に接続されているリードフレーム１０６に電気的に接続され、他方の電極ピンはワイヤ１０３ｂにより他方の電極端子１０７ｂに電気的に接続されている。この発光素子１０１から放射された励起光１１０により励起された蛍光体１０４より放射される蛍光の少なくとも一部が、分散体１０５における励起光１１０の入射側１０５ａから取り出されるように、分散体１０５がリードフレーム１０６上に配置されている。ここで、発光素子１０１および分散体１０５を保持するリードフレーム１０６は、蛍光体１０４からの蛍光を略一方向に集光できるような凹形状部を有している。また、このリードフレーム１０６の表面には、蛍光の取り出し効率を高めるように、Ａｕ膜が形成されている。
（実施形態１Ａ）
本実施形態は、実施形態１におけるより具体的な一実施形態を示す。図１を参照して、本実施形態の発光デバイス１００においては、窒化物系半導体発光ダイオード（発光素子１０１）より放射される発光ピーク波長が４０５ｎｍの励起光によって励起される赤色蛍光体、緑色蛍光体および青色蛍光体、それらからそれぞれ放射される赤色蛍光、緑色蛍光および青色蛍光により色度座標でｘ＝０．３２、ｙ＝０．３２の白色が形成されるような比率で、厚さ５ｍｍのエポキシ樹脂板に分散させた分散体１０５を用いた。ここで、赤色蛍光体として蛍光ピーク波長が６３５ｎｍのＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+、緑色蛍光体として蛍光ピーク波長が５２０ｎｍのＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、青色蛍光体として蛍光ピーク波長４８０ｎｍの（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10（ＰＯ4）6：Ｅｕ2+を用いた。
本実施形態において、分散体１０５中の蛍光体１０４の含有量（質量％）と分散体から放射される励起光および蛍光の反射率および透過率との関係を図２に示す。ここで、図３に示すように、分散体１０５において、分散体１０５に入射された励起光（入射励起光１１０）から、分散体１０５中に分散している蛍光体１０４における光散乱または光透過により励起光の入射側１０５ａに放射される励起光である反射励起光１１０ａおよび励起光の透過側１０５ｂ（入射側１０５ａと反対側）に放射される励起光である透過励起光１１０ｂが生じる。また、蛍光体１０４より放射される蛍光から、他の蛍光体１０４における光散乱または光透過により、励起光の入射側１０５に放射される蛍光である反射蛍光１２０ａおよび励起光の透過側に放射される蛍光である透過蛍光１２０ｂを生じる。図２に示す分散体中の蛍光体の含有量と反射励起光、透過励起光、反射蛍光および透過蛍光との関係は、光線追跡の手法を用いて算出される。
図２より明らかなように、分散体１０５中の蛍光体１０４の含有量が少ない場合には、励起光が十分に蛍光体１０４で吸収される前に透過してしまう。このため、蛍光体の含有量を増加させるほど蛍光体による励起光の吸収及び散乱が増加するので、励起光の透過率（透過励起光１１０ｂ）は単調に減少する。一方、励起光の反射率（反射励起光１１０ａ）は、蛍光体の含有量を増加させるにつれて初めは増加した後に飽和する。これは、蛍光体の含有量が少ないときには励起光の散乱は小さいが、蛍光の含有量を増加させるにつれて蛍光体に散乱される成分と吸収される成分とが増加するためである。
また、蛍光の反射率（反射蛍光１２０ａ）は、蛍光体の含有量を増加させるにつれて増加して飽和する。これは、分散体１０５中の蛍光体１０４から放射される蛍光は、蛍光体の含有量を増加させるほど蛍光体によって散乱されるためである。一方、蛍光の透過率（透過蛍光１２０ｂ）は初め徐々に増加して、本実施形態においては１２質量％程度で最大となりその後減少する。これは、分散体１０５中の蛍光体１０４より放射される蛍光は、蛍光体の含有量を増加させるほど蛍光体によって散乱され透過しなくなるためである。そして、含有量が１２質量％程度以上になると、蛍光の反射率（反射蛍光１２０ａ）が蛍光の透過率（透過蛍光１２０ｂ）よりも大きくなる。
すなわち、図１〜図３を参照して、分散体１０５中の蛍光体１０４の含有量は、分散体１０５中の蛍光体１０４より放射される蛍光のうち、励起光１１０の入射側１０５ａに放射される反射蛍光１２０ａの強度を励起光１１０の透過側１０５ｂに放射される透過蛍光１２０ｂの強度よりも大きくする量であることが好ましい。かかる含有量の蛍光体を分散体中に含有させることにより、蛍光の少なくとも一部が分散体１０５における励起光１１０の入射側１０５ａより外部に取り出されることを特徴とする本実施形態の発光デバイス１００の光取り出し効率を高めることができる。
なお、図２で示される関係は、蛍光体１０４の粒径、屈折率などの物理量あるいは分散体の種類（屈折率）によって蛍光体の含有量の最適値が多少異なるものの、同じような傾向を有する。すなわち、この計算結果から明らかなように、励起光を十分に蛍光体で吸収させるためには分散体中における蛍光体の含有量（すなわち蛍光体の分散量）を増やす必要がある。
このため、従来のように発光素子が蛍光体の含まれたバインダーに覆われている構成を有する発光デバイスにおいては、蛍光体より放射される蛍光は、バインダー中の蛍光体、発光素子を実装している金属部などの間で反射、散乱されているうちに、金属部などに吸収される損失成分が生じる。
これに対して、本発明にかかる発光デバイスは、蛍光体−金属部間における多重反射および／または散乱によって、発光素子を実装している金属部での光吸収を低減でき、蛍光体より放射される蛍光を効率よく外部に取り出すことができる。本実施形態においては、図１を参照して、分散体１０５中の蛍光体１０４から放射された蛍光１２０は、蛍光取り出し用の窓部１０９から、外部に取り出される。
ここで、本実施形態において、発光素子である発光ダイオードに投入される電力に対して励起光に変換される割合（電力変換効率）と発光素子の励起光の波長との関係を図４に示す。励起光の発光ピーク波長が４００ｎｍ〜４２０ｎｍである発光素子を用いることにより、発光素子の電力変換効率を大きくすることができ、上記光取り出し効率の向上と相まって、低消費電力特性の良好な発光デバイスが実現できる。また、発光ピーク波長が４００ｎｍ〜４２０ｎｍの励起光を用いることにより、４００ｎｍ以下の紫外光成分によるエポキシ樹脂の劣化の問題をも回避できる。さらに、４００ｎｍ〜４２０ｎｍの波長の光は、人間の目に対し視感度曲線の値がほとんど０に近いため、蛍光体で吸収されず放射される励起光は、蛍光体から放射される蛍光の混色によって得られる色（たとえば、白色）に対して色度上の影響を与えないといった利点もある。なお、蛍光体が分散された分散体を形成するためのバインダーの材料としては、励起光および蛍光を透過する材料であれば特に制限はなく、上記エポキシ樹脂以外に、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂などの有機材料、ガラスなどの無機材料などを用いることができる。
また、別の発光素子と分散体を用いた発光デバイスとして、発光ピーク波長が４８０ｎｍのＩｎＧａＮ系発光ダイオードと、蛍光ピーク波長が５８０ｎｍ程度の黄色のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を分散させた分散体を用いて、白色の発光が得られる発光デバイスを形成することも可能である。
また、本実施形態において、蛍光が取り出される窓部（光取り出し用の窓部）１０９の少なくとも一領域に、蛍光を拡散させる光拡散材（たとえば、ＴｉＯ2粒子、図示せず）が分散された光学膜を用いることにより、放射される蛍光の光強度の均一性が向上する。
（実施形態１Ｂ）
本実施形態は、実施形態１におけるより具体的な他の実施形態を示す。図１を参照して、本実施形態の本発光デバイス１００は、分散体１０５中の蛍光体１０４として蛍光ピーク波長が５２０ｎｍの緑色蛍光体であるＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+を用いた以外は、実施形態１Ａの発光デバイスと同様である。本実施形態の発光デバイスにおける分散体１０５中の蛍光体１０４の含有量と、蛍光体１０４からの反射蛍光１０２ａ、透過蛍光１０２ｂおよび反射蛍光と透過蛍光とを合わせた全体の蛍光１２０のそれぞれについての発光強度との関係を図５に示した。図５における蛍光の発光強度は、蛍光体に照射する励起光１１０の発光強度を１としたときの相対強度を規格値として表わしたものである。
図５を参照して、本実施形態において、分散体中の蛍光体の含有量は、分散体中の蛍光体より放射される蛍光のうち、励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度と励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度との合計強度を大きくする量であることが、本実施形態の発光デバイスの光取り出し効率を高める観点から、好ましい。具体的には、蛍光体の含有量は、蛍光体より放射される蛍光のうち、反射蛍光の強度と透過蛍光の強度との合計強度を、その最大値の９０％以上とする量であることが好ましく、その最大値の９５％以上とする量であることがより好ましい。反射蛍光の強度と透過蛍光の強度との合計強度がその最大値の９０％未満の場合は、蛍光の発光強度が急激に低下する。
また、本実施形態において、分散体中の蛍光体の含有量は、分散体中の蛍光体より放射される蛍光のうち、反射蛍光の強度を透過蛍光の強度よりも大きくし、かつ、反射蛍光の強度と透過蛍光の強度との合計強度をその最大値の９０％以上とする量であることが、本実施形態の発光デバイスの光取り出し効率をさらに高める観点から、さらに好ましい。より具体的には、本実施形態の発光デバイスにおいては、分散体中の蛍光体の含有量は１０質量％〜２５質量％であることが好ましい。
なお、本実施形態において、蛍光体として緑色蛍光体を用いた場合の分散体中の蛍光体の含有量と蛍光の発光強度との関係を示したが、蛍光体として、本実施形態の緑色蛍光体であるＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+の他、蛍光ピーク波長が６６０ｎｍの赤色蛍光体である０．５ＭｇＦ2・３．５ＭｇＯ・ＧｅＯ2：Ｍｎ4+および蛍光ピーク波長が４６０ｎｍの青色蛍光体であるＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+をそれぞれ適量を分散させて、色度座標でｘ＝０．３２、ｙ＝０．３２の白色の発光を得る場合においても、これらの蛍光体の全体の含有量は、反射蛍光の強度と透過蛍光の強度の合計強度を大きくする量であることが好ましいことがわかった。
（実施形態２）
図６を参照して、本発明にかかる発光デバイス６００の他の実施形態は、蛍光体１０４を励起する励起光を放射する発光素子６０１と、励起光と異なる波長の蛍光を放射する蛍光体１０４が分散された分散体１０５と、発光素子６０１および分散体１０５を保持するリードフレーム１０６とを含み、分散体１０５中の蛍光体１０４より放射される蛍光の少なくとも一部が、分散体における励起光の入射側１０５ａより外部に取り出されることを特徴とする。
本実施形態は、発光素子６０１として、窒化物系半導体レーザを用いる点で、発光素子として窒化物系半導体発光ダイオードを用いる実施形態１と異なり、それ以外の構造は、実施形態１の場合と同様である。
本実施形態において用いられる窒化物系半導体レーザには、特に制限はないが、たとえば、図７に示すような構造を有する窒化物系半導体レーザが挙げられる。すなわち、図７を参照して、本窒化物系半導体レーザ（発光素子６０１）は、ｎ型ＧａＮ基板６１１上に、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ層６１２、厚さ２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層６１４、３対のＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層で形成される厚さ１８ｎｍの多重量子井戸活性層６１５、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６１６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層６１７、厚さ０．３μｍのｐ型第２ＡｌＧａＮクラッド層６１８、厚さ０．５μｍのｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層６１９、厚さ１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６２０が順次形成されている。また、上記ｎ型ＧａＮ基板６１１において半導体層が形成されていない面上にｎ側電極６３０が、上記ｐ型ＧａＮコンタクト層６２０上にｐ側電極６４０が形成されている。ここで、ＳｉＯ2誘電体膜６２１により、ｐ型第２ＡｌＧａＮクラッド層６１８上の中央部に形成されているｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層６１９およびｐ型ＧａＮコンタクト層６２０は、幅４０μｍのストライプ形状なっている。また、共振器長は４００μｍに設定されている。
図６を参照して、上記窒化物系半導体レーザ（発光素子６０１）は、表面部にＡｕ膜が被覆されたリードフレーム１０６上に実装されており、ワイヤ１０３ａにより窒化物系半導体レーザの一方の電極が、一方の電極端子１０７ａに電気的に接続しているリードフレーム１０６に電気的に接続され、ワイヤ１０３ｂにより窒化物系半導体レーザの他方の電極が他方の電極端子１０７ｂに電気的に接続されている。
発光ダイオードと比べ励起光の放射角が狭い半導体レーザを発光素子６０１として用いた本実施形態においても、蛍光体１０４より放射される蛍光が、分散体１０５中に分散されている蛍光体１０４によって十分に散乱されるため放射される蛍光の強度の均一性が向上する。
本実施形態においては、窒化物系半導体レーザである発光素子の厚さは、通常約１００μｍ程度であり、放射される励起光の広がり角の半値全角が５０度程度しかないため、励起光が照射される蛍光体１０４を分散させた分散体１０５の大きさ（面積）を数ｍｍ程度にすることができる。この結果、本実施形態においては、発光デバイスの厚みをこの分散体１０５の大きさと同程度にすることができ、非常に薄型で光取り出し効率が高い発光デバイスが得られる。
また、本実施形態において、蛍光が取り出される窓部（光取り出し用の窓部）１０９の少なくとも一領域に、蛍光を拡散させる光拡散材（たとえば、ＴｉＯ2粒子、図示せず）が分散された光拡散膜を用いることにより、放射される蛍光の強度分布の均一性が向上する。
さらに、この光拡散膜中には、波長４３０ｎｍ以下の光を吸収する有機系材料から形成される紫外線吸収材が分散されていても良い。かかる光拡散膜を光取り出し用の窓部１０９に用いることにより、半導体レーザから放射された励起光のうち、蛍光体に吸収されなかった光が外部に放射されるのを防止できる。
なお、半導体レーザから直接放射される励起光は空間的なコヒーレンシ（可干渉性）が強く、この励起光が直接目に入った場合は危険性を伴う。これに対して本実施形態の構造によれば励起光は蛍光体により十分に散乱され、空間的なコヒーレンシが低減されるため、安全性が確保できる。
本実施形態の発光デバイスにおいて、図６〜図９を参照して、発光素子６０１である窒化物系半導体レーザから放射される光がＰ偏光で分散体１０４に入射するように、窒化物系半導体レーザ（発光素子６０１）と分散体１０５とを配置することが好ましい。ここで、一般的に、半導体レーザから出力される光の偏光方向はそろっており、活性層の層厚方向と平行な方向（図７における縦方向）に磁場ベクトルＨ、活性層の層厚方向と垂直な方向（図７における横方向）に電場ベクトルＥが生じる。図８（ａ）を参照して、Ｐ偏光とは、分散体１０５に入射する励起光１１０の電場ベクトルＥの方向が入射面（分散体の入射側１０５ａの表面に立てた法線１０５ｈ）と励起光１１０の進行方向を含む面をいう、以下同じ）に含まれる平面偏光をいう。すなわち、Ｐ偏光とは、励起光の電場ベクトルＥの方向が入射面（入射角θ（分散体１０５における入射側１０５ａの表面に立てた法線１０５ｈと励起光１１０とのなす立体角をいう、以下同じ）を含む面）に平行な偏光をいう。なお、図８（ｂ）を参照して、Ｓ偏光とは、分散体１０５に入射する励起光１１０の電場ベクトルＥの方向が入射面（分散体の入射側１０５ａの表面に立てた法線１０５ｈ）と励起光１１０の進行方向を含む面をいう、以下同じ）に垂直な平面偏光をいう。すなわち、Ｓ偏光とは、励起光の電場ベクトルＥの方向が入射面（入射角θを含む面）に垂直な偏光をいう。
本実施形態の発光デバイスにおいても、図２で示されるように、分散体中の蛍光体の含有量は、好ましくは反射蛍光１２０ａの強度が透過蛍光１２０ｂの強度より大きくなるような量であることが好ましい。かかる含有量の蛍光体を含む発光デバイスにおいては、蛍光体に吸収されない励起光の大部分は反射励起光１１０ａであることがわかる。したがって、かかる反射励起光１１０ａ（分散体による励起光の反射率）を小さくすることができれば、励起光の利用効率を上げることができ、発光デバイスの発光効率を上げることができる。
上記の反射励起光は大きく二つの成分に分けることができる。ひとつの成分は、分散体１０５における励起光の入射側１０５ａの表面における反射成分である。この反射成分はフレネルの反射の公式によって算出することができ、分散体を形成するためのバインダー材料の屈折率や入射光の偏光方向、入射角θなどにより決まる。もうひとつの成分は、一度分散体１０５の内部に入射された励起光が蛍光体１０４で吸収されずに拡散反射され、再び入射側に返ってくる成分である。この量は、蛍光体の散乱・吸収特性や分散量などにより決まる。ここで、発光素子６０１である窒化物系半導体レーザから放射される光がＰ偏光で分散体１０５に入射するように、窒化物系半導体レーザ（発光素子６０１）と分散体１０５とを配置することにより、反射励起光における上記二つの反射成分のうち、入射側１０５ａの表面における反射成分（フレネル反射成分）を低減することができ、励起光の利用効率を高めることができる。
本実施形態において、図８および図９を参照して、発光素子６０１である半導体レーザから放射される光がＰ偏光またはＳ偏光で分散体に入射するように発光素子６０１と分散体１０５とを配置して、分散体１０５の入射側１０５ａの励起光１１０の反射率（以下、励起光の反射率という）を測定した。ここで、発光素子６０１として発光ピーク波長４０５ｎｍの窒化物系半導体レーザを用いた。また、分散体１０５としては、上記発光素子６０１の励起光によって励起される、実施形態１（実施形態１Ａおよび１Ｂ）において示された赤色蛍光体、緑色蛍光体および青色蛍光体を、色度座標でｘ＝０．３２、ｙ＝０．３２の白色が形成されるような比率で、厚さ５ｍｍのエポキシ樹脂板に分散させたものを用いた。この分散体１０５への励起光１１０の入射角θを３０度とした。励起光１１０がＰ偏光で分散体１０５に入射する場合の反射率は６．０％（図９中の黒丸の点）であり、Ｓ偏光で分散体１０５に入射する場合の反射率は９．２％（図９中の白丸の点）であった。すなわち、励起光１１０がＰ偏光で分散体１０５に入射するように分散体１０５を配置することにより、励起光１１０の反射率を低減することができ、励起光の利用効率を高めることができる。
また、エポキシ樹脂の屈折率をおよそ１．６として、Ｐ偏光とＳ偏光における分散体に対する励起光の入射角θと分散体の入射側の表面におけるフレネル反射率を計算し、さらに、この入射側の表面で反射されないで、分散体の内部に入射された励起光のうち、約２．５％が蛍光体に吸収されずに拡散反射され、再び入射側の表面に返ってくるとして、分散体の入射側における全体の励起光の反射率を計算した。結果を図９に示した。図９において、実線はＰ偏光の場合の励起光の反射率を示し、破線はＳ偏光の場合の励起光の反射率を示す。図９に示すように、計算により得られた曲線（計算値）と測定した値（実測値）とがよく一致した。以上のことから、励起光がＰ偏光で分散体に入射するように分散体を配置する方が、いずれの入射角θにおいてもＳ偏光で分散体に入射するように配置するより励起光の反射成分を低減できることがわかった。
図９から明らかなように、励起光の反射率を低減し励起光の利用効率を高める観点から、励起光がＰ偏光で分散体１０５に入射するように発光素子６０１と分散体１０５とを配置することが好ましく、さらに、入射角θを３０度以上７０度以下にすることがより好ましく、さらには、入射角θがブルースター角（約５８度）となるように配置することがさらに好ましい。
また、本実施形態の発光デバイスにおいても、図５に示すように、分散体中の蛍光体の含有量は、分散体中の蛍光体より放射される蛍光のうち、励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度と励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度との合計強度を大きくする量であることが、本実施形態の発光デバイスの光取り出し効率を高める観点から、好ましい。具体的には、蛍光体の含有量は、蛍光体より放射される蛍光のうち、反射蛍光の強度と透過蛍光の強度との合計強度を、その最大値の９０％以上とする量であることが好ましく、その最大値の９５％以上とする量であることがより好ましい。
（実施形態３）
本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態は、図６および図１０を参照して、実施形態２の発光デバイスにおいて、蛍光体１０４が分散された分散体１０５の励起光１１０の透過側１０５ｂに、励起光および蛍光のうち少なくともいずれかを反射する光学膜９０３として、バインダー９０１中に光散乱材９０２であるＴｉＯ2粒子が分散されている膜が形成されているものである。かかる光学膜９０３を設けることにより、蛍光の取り出し効率をさらに向上させることができる。また、この光学膜９０３により、分散体１０５の透過側１０５ｂの励起光および蛍光の光透過率が５％以下となることが好ましい。
ここで、バインダー９０１の材料には、励起光および蛍光を透過する材料であれば特に制限はなく、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂などの有機材料、ガラスなどの無機材料などを用いることができる。光散乱材には、励起光および蛍光を反射し散乱し得るものであれば特に制限はなく、ＴｉＯ2粒子以外に、ＳｉＯ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、サファイア、水晶などの無機材料の粒子、金、銀などの金属の粒子、ポリイミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、シリコン系樹脂などの有機材料の粒子などを用いることができる。
（実施形態４）
本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態は、図６および図１１を参照して、実施形態２の発光デバイスにおいて、蛍光体１０４が分散された分散体１０５の励起光１１０の透過側１０５ｂに、励起光および蛍光のうち少なくともいずれかを反射する光学膜９０３として、金属膜であるＡｌ膜が形成されているものである。かかる光学膜９０３を設けることにより、蛍光の取り出し効率をさらに向上させることができる。ここで、光学膜９０３として用いられる膜には、励起光および蛍光を反射し得るものであれば特に制限はないが、Ａｌ膜以外に、Ａｕ膜などの反射性の金属膜、酸化膜、窒化膜などの分散体１０５よりも屈折率の大きい無機質膜などを用いることができる。
（実施形態５）
本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態は、図６および図１２を参照して、実施形態２の発光デバイスにおいて、分散体１０５中に蛍光体１０４とともに励起光および蛍光を散乱させる光散乱材９０２が分散されているものである。分散体１０５中に蛍光体１０４とともに光散乱材９０２を分散させることにより、蛍光の取り出し効率をさらに向上させることができる。また、蛍光体１０４と光散乱材９０２との光散乱および／または光吸収のパラメータが異なる２種類以上の粒子を任意の割合で分散体中１０５に分散させることによって励起光及び蛍光の反射率と透過率の制御を行うことが可能となる。ここで、光散乱材９０２には、励起光および蛍光を反射し散乱し得るものであれば特に制限はなく、ＴｉＯ2、ＳｉＯ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、サファイア、水晶などの無機材料の粒子、金、銀などの金属の粒子、ポリイミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、シリコン系樹脂などの有機材料の粒子などを用いることができる。
（実施形態６）
本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態は、図６、図１２および図１３を参照して、実施形態５の発光デバイスにおいて、分散体１０５における励起光１１０の入射側１０５ａの表面が凸面状となっているものである。励起光１１０の入射側１０５ａの表面が凸面形状である分散体１０５はそのレンズ機能により、励起光１１０の取り込みをさらに容易にするとともに蛍光の放射をより容易にするため、蛍光の強度および取り出し効率をさらに向上させることができる。
（実施形態７）
本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態は、図６および図１４を参照して、実施形態２の発光デバイスにおいて、発光素子６０１および分散体１０５を被覆する外装体１４０９が形成され、この外装体１４０９における蛍光の取り出しの窓部面（光取り出し窓部面）１４０９ａが凸面状となっているものである。外装体１４０９の光取り出し窓部面１４０９ａを凸面状とすることにより、蛍光の取り出し効率を向上するとともにその強度分布を制御することができる。
（実施形態８）
図１５を参照して、本発明にかかる照明機器１５００の一実施形態は、上記発光デバイス１５１０を少なくとも１つ含む。より具体的には、たとえば実施形態２の発光デバイス１５１０が、アルミニウム製のシャーシ１５１１に多数個アレイ状に取り付けられて、このシャーシ１５１１の上面部には、上記発光デバイス１５１０から放射される蛍光が外部に取り出される窓部１５１２が設けられている。上記構成によって、平面型の大型照明機器が形成される。なお、発光デバイスの個数および配置方法などは本実施形態に限定されず様々なものを採ることができる。
（実施形態９）
図１６を参照して、本発明にかかる表示機器１６００の一実施形態は、上記発光デバイス１６１０を少なくとも１つ含み、発光デバイス１６１０からの発光の強度を変調する変調器と、その変調器により変調された光を受けるようにマトリックス状に配置されたカラーフィルターとを有する。より具体的には、たとえば実施形態２の発光デバイス１６１０が、アルミニウム製のシャーシ１６１１に多数個アレイ状に取り付けられて、このシャーシ１６１１の上面部には、偏光板に挟まれたアクティブマトリクス駆動型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶光変調素子１６１２が設けられている。そして、この液晶光変調素子１６１２により発光デバイス１６１０からの発光の強度が変調される（オン／オフされる）。なお、この液晶光変調素子には液晶テレビなど通常の液晶表示装置で用いられる構成のものを使用することができる。
この液晶光変調素子１６１２の上には赤色、緑色、青色のカラーフィルター１６１３（赤色フィルター１６１３ａ、緑色フィルター１６１３ｂおよび青色フィルター１６１３ｃ）がマトリックス状に配置されており、液晶光変調素子１６１２による発光の強度の制御によって、それぞれのカラーフィルターに放射される発光の強度を制御して、所望のカラー画像を表示することができる。なお、発光デバイス、液晶光変調素子もしくはカラーフィルターの個数および配置方法などは本実施形態に限定されず様々なものを採ることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
本発明にかかる発光デバイスの一実施形態を示す模式図である。 分散体中の蛍光体の含有量と分散体から放射される励起光および蛍光の反射率および透過率との関係を示す図である。 入射励起光、反射励起光、透過励起光、反射蛍光および透過蛍光間の関係を示す模式図である。 発光素子の励起光の波長と電力変換効率との関係を示す図である。 分散体中の蛍光体の含有量と蛍光の発光強度との関係を示す図である。 本発明にかかる発光デバイスの他の実施形態を示す模式図である。 本発明にかかる発光デバイスの他の実施形態における発光素子を示す模式図である。 分散体に入射する励起光の偏光を説明する模式図である。（ａ）は励起光がＰ偏光で分散体に入射する場合を示し、（ｂ）は励起光がＳ偏光で分散体に入射する場合を示す。 分散体に対する励起光の入射角θと励起光の反射率との関係を示す図である。 本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態の要部を示す模式図である。 本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態の要部を示す模式図である。 本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態の要部を示す模式図である。 本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態の要部を示す模式図である。 本発明にかかる発光デバイスのさらに他の実施形態を示す模式図である。 本発明にかかる照明機器の一実施形態を示す模式図である。 本発明にかかる表示機器の一実施形態を示す模式図である。 従来の発光デバイスを示す模式図である。
符号の説明
１００，６００，１４００，１５１０，１６１０，１７００ 発光デバイス、１０１，６０１，１７０１ 発光素子、１０２ 支持体、１０３，１０３ａ，１０３ｂ，１７０３，１７０３ａ，１７０３ｂ ワイヤ、１０４，１７０４ 蛍光体、１０５，１７０５ 分散体、１０５ａ 入射側、１０５ｂ 透過側、１０５ｈ 法線、１０６，１７０６ リードフレーム、１０７，１０７ａ，１０７ｂ，１７０７，１７０７ａ，１７０７ｂ 電極端子、１０９，１５１２ 窓部、１１０ 励起光、１１０ａ 反射励起光、１１０ｂ 透過励起光、１２０ 蛍光、１２０ａ 反射蛍光、１２０ｂ 透過蛍光、６１１ ｎ型ＧａＮ基板、６１２ ｎ型ＧａＮ層、６１３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６１４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層、６１５ 多重量子井戸活性層、６１６ ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、６１７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層、６１８ ｐ型第２ＡｌＧａＮクラッド層、６１９ ｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層、６２０ ｐ型ＧａＮコンタクト層、６２１ ＳｉＯ2誘電体膜、６３０ ｎ側電極、６４０ ｐ側電極、９０１ バインダー、９０２ 光散乱材、９０３ 光学膜、１４０９，１７０９ 外装体、１４０９ａ 窓部面、１５００ 照明機器、１５１１，１６１１ シャーシ、１６００ 表示機器、１６１２ 液晶光変調素子、１６１３ カラーフィルター、１６１３ａ 赤色フィルター、１６１３ｂ 緑色フィルター、１６１３ｃ 青色フィルター、Ｅ 電場ベクトル、Ｈ 磁場ベクトル、θ 入射角。

Claims (17)

  1. 蛍光体を励起する励起光を放射する発光素子と、前記励起光と異なる波長の蛍光を放射する前記蛍光体が分散された分散体と、前記発光素子および前記分散体を保持するリードフレームとを含み、
    前記分散体中の前記蛍光体より放射される蛍光の少なくとも一部が、前記分散体における前記励起光の入射側より外部に取り出されることを特徴とする発光デバイス。
  2. 前記分散体中の前記蛍光体の含有量は、前記分散体中の前記蛍光体より放射される蛍光のうち、前記励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度を前記励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度よりも大きくする量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. 前記分散体中の前記蛍光体の含有量は、前記分散体中の前記蛍光体より放射される蛍光のうち、前記励起光の入射側に放射される反射蛍光の強度と前記励起光の透過側に放射される透過蛍光の強度との合計強度をその最大値の９０％以上とする量であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光デバイス。
  4. 前記発光素子が、少なくとも１つの窒化物系半導体レーザから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  5. 前記窒化物系半導体レーザから放射される光がＰ偏光で前記分散体に入射するように、前記窒化物系半導体レーザと前記分散体とを配置することを特徴とする請求項４に記載の発光デバイス。
  6. 前記発光素子の発光ピーク波長が、４００ｎｍから４２０ｎｍ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。
  7. 前記分散体中には、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体および黄色蛍光体からなる群のうち少なくとも１つの蛍光体が分散されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  8. 前記分散体の前記励起光の透過側に、前記励起光および前記蛍光のうち少なくともいずれかを反射する光学膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  9. 前記光学膜が、金属膜および光散乱材が分散されている膜のうち少なくともいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項８に記載の発光デバイス。
  10. 前記分散体中に、さらに光分散材が分散されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  11. 前記分散体における前記励起光の入射側の表面が凸面状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。
  12. 前記発光素子および前記分散体を保持するリードフレームは、前記分散体中の前記蛍光体より放射される蛍光を略一方向に集光する凹形状部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。
  13. 前記発光素子および前記分散体を保持するリードフレームの表面には、金属膜および光散乱材が分散された膜のうち少なくともいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  14. 前記分散体中の前記蛍光体より放射される蛍光が外部に取り出される窓部の少なくとも一領域に、前記励起光および前記蛍光のうち少なくともいずれかを拡散させる光拡散材を含む光学膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  15. 前記発光素子および前記分散体を被覆する外装体が形成され、前記外装体における蛍光の取り出し窓部面が凸面状となっていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
  16. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載の発光デバイスを少なくとも１つ含む照明機器。
  17. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載の発光デバイスを少なくとも１つ含み、
    前記発光デバイスからの発光の強度を変調する変調器と、前記変調器により変調された光を受けるようにマトリックス状に配置されたカラーフィルターとを有することを特徴とする表示機器。
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