JP2009044137A - 発光装置及び蛍光体 - Google Patents

Abstract

【課題】１次光を発する光源と、１次光を吸収して２次光を発する蛍光体と、を備える発光装置であって、環境に対する害が少なく、しかも高輝度、低消費電力かつ長寿命の白色光を出射可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置が備える蛍光体に含まれる蛍光物質は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の微粒子結晶であり、蛍光体は３つの層を有し、当該層は１次光の入射する側から出射する側に向かって蛍光物質のサイズが小さくなるように積層される。
【選択図】図１１

Description

この発明は、発光装置に関し、特に、１次光源から出た１次光を蛍光体に照射し、１次光より長波長の光を提供する発光装置に関するものである。また、この発明は、蛍光物質を含む蛍光体に関する。

ＧａＮ系半導体は直接遷移半導体であり、その禁制帯幅は０．９ｅＶもしくは１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、可視領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な発光素子の実現が可能であることから、近年注目を集めており、その開発が活発に進められている。ここで禁制帯幅の下限を０．９ｅＶもしくは１．８ｅＶと記述したのは、ＩｎＮの禁制帯幅がまだ明確に求まっておらず０．９ｅＶと１．８ｅＶの２種類説があるからである。

このようなＧａＮ系発光素子を励起光源として用いて、赤色、緑色、青色の蛍光体に照射し、出た蛍光を合成することで白色を作り出すことが盛んに行われている。

また、ＧａＮ系発光素子を用いた装置として、全色画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この全色画像表示装置においては、基板上に配置されたＧａＮ系発光ダイオードアレイによってそれぞれ赤、緑および青の３原色を発する蛍光体を励起するか、あるいは、ＧａＮ系発光ダイオードアレイによってそれぞれ赤および緑の蛍光体を励起し、青にはＧａＮ系発光ダイオードの発光を用いる。

一方、次世代の発光装置としては、高輝度かつ低消費電力であることが望まれている。輝度および消費電力は励起光源の出力と量子効率、蛍光体の量子効率とで決まるため、蛍光体としてはより量子効率の高いものが望まれる。
特開平８−６３１１９号公報 米国特許第５４５５４８９号 特開平１１−３４０５１６号公報 J.Chem.Phys.,Vol.80,No.9,p.1984 Phys.Rev.Lett.,Vol.72,No.3,p.416,1994 MRSbulletin Vol.23,No.2,p.18,1998

ところが、これまでの蛍光体では量子効率が１０％以下であり、高輝度化のためには励起光源の光出力を高くする必要があった。このため消費電力が大きくなりかつ励起光源の寿命も短くなる問題が生じ、これまではＧａＮ系発光素子を励起光として用いた、高輝度、低消費電力かつ長寿命の発光装置の実現は困難であった。

最近、結晶サイズを励起子ボーア半径程度まで小さくすると（以降このような結晶を「ナノクリスタル」と呼ぶ）、量子サイズ効果による励起子の閉じ込めやバンドギャップの増大が生じることが観測されている（例えば、非特許文献１参照）。このようなサイズの半導体には、フォトルミネッセンスにおける量子効率が大きくなるものもあることが報告されている（例えば、非特許文献２、３及び特許文献２参照）。

この効果を、発光波長が量子サイズ効果で変化しないため比較しやすいＭｎドープＺｎＳ（ＺｎＳ：Ｍｎ）を例にとって説明する。表１に、メタクリル酸で表面処理したＺｎＳ：Ｍｎナノクリスタルと、１μｍ以上の粒径のバルクＺｎＳ：Ｍｎ粒子とを、同じ紫外線ランプによって励起したときの発光の輝度を比較して示す。表１より、ＺｎＳ：Ｍｎナノクリスタルでは、バルクＺｎＳ：Ｍｎ粒子の５倍近く高い輝度が得られていることがわかる。

＜表１＞
ナノクリスタル バルク
輝度 ６９ｃｄ／ｍ² １４．２ｃｄ／ｍ²

このような高い量子効率と量子サイズ効果とが物理的にどのように関係しているかは未だ明確に説明されていないが、電子−正孔対形成による振動子強度の増大、エネルギー準位の量子化による発光に寄与しない状態密度の減少、結晶格子の歪みによる発光中心付近の結晶場の変化の影響、結晶表面処理などが関係していると考えられる。これらのうちどの要素が発光効率に有効に寄与しているかは明らかではないが、以下に説明する励起子ボーア半径以下の大きさの結晶で、発光効率の増大が報告されている。

ここで、励起子ボーア半径とは励起子の存在確率の広がりを示すもので、４πε₀ ｈ² ／ｍｅ² （ただし、ε₀ は材料の低周波誘電率、ｈはプランク定数、ｍは電子および正孔の有効質量から得られる換算質量、ｅは電子の電荷）で表される。例えば、ＺｎＳの励起子ボーア半径は２ｎｍ、ＧａＮの励起子ボーア半径は３ｎｍ程度である。

最も典型的な量子サイズ効果の例としては、バンドギャップの増大が挙げられる。図１に、L.E.Brusらの理論を基に計算したＺｎＳのバンドギャップの結晶サイズ依存性を示す。本来のＺｎＳのバンドギャップは約３．５ｅＶであるから、直径約８ｎｍより小さい範囲で量子サイズ効果が大きくなると予測することができる。この直径の値は励起子ボーア半径の２倍の半径を有する結晶に相当する。

したがって、励起子ボーア半径の２倍以下の大きさの結晶からなる蛍光物質を用いることで、量子サイズ効果の発光への寄与を利用することができる。すなわち、ナノクリスタルの大きさを変化させることで異なる蛍光波長を得ることが可能になる。ＺｎＳ以外にナノクリスタルで高い量子効率有する材料としては、ＣｄＳｅ等のＩＩ―ＶＩ族の材料が盛んに研究されている。

また、図２に示すように、ＺｎＳでキャッピングしたＣｄＳｅナノクリスタルでは、量子井戸構造をとることで電子−正孔対がナノクリスタル内に強く閉じ込められ、再結合する。この材料では、キャッピングのないＣｄＳｅナノクリスタルに比べ一桁以上高い発光効率が得られ、５０％程度の量子効率が得られる。

上記ＩＩ―ＶＩ族ナノクリスタル材料を用いた表示装置及び照明装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながらＩＩ−ＶＩ族には下記の問題が存在する。表１に示した結果は、ナノクリスタルをメタクリル酸で表面処理した結果であるが、表面処理をしていない結晶では、表面に存在するイオンのダングリングボンドに励起された電子が捕獲されて、非発光再結合するため、発光強度が著しく減少する。例えば、表２に示すように、メタクリル酸によって表面処理されないＺｎＳ：Ｍｎナノクリスタルでは、結晶表面のダングリングボンドが有効にターミネイトされず、表面処理されていない試料に比べて著しく発光強度が減少している。このようにＩＩ−ＶＩ族ナノクリスタルは表面の安定化のために特別な処理が必要であった。

＜表２＞
表面処理 メタクリル酸 無
輝度 ６９ｃｄ／ｍ² ９．４ｃｄ／ｍ²

また、ＩＩ−ＶＩ族では材料の構成元素としてＣｄ、Ｓｅ等の有害物質を含んでおり、ＩＩ−ＶＩ材料を発光装置、画像表示装置に用いることは環境面でも重大な問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、安定で、環境に関して有利な材料を用い、高輝度、低消費電力かつ長寿命の白色光を出射可能な発光装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明者は、材料として安定で、環境に負荷の小さいＩＩＩ族−Ｖ族窒化物化合物半導体のナノクリスタルを用いることを検討した。

蛍光物質としてＩｎＮナノクリスタルを用いた場合について説明する。本来室温ではＩｎＮは０．９もしくは１．８ｅＶのバンドギャップを有するが、結晶サイズを一辺１４ｎｍ程度まで小さくすると、量子サイズ効果によりバンドギャップが増大してくる。ＩｎＮの誘電率が不明のため、ＩｎＮのボーア半径は不明であるが、ＧａＮの場合は３ｎｍでありＩｎＮも大きな差はないと考えられ、ボーア半径の約２倍の粒子サイズから量子効果が現れると考えられる。

この蛍光物質の表面は安定で、特別な表面処理なしで高い量子効率を得ることができる。また構成元素のほとんどがＩＩＩ族と窒素であり、有害な元素は存在せず環境に関しても有利である。

また、ＩｎＮナノクリスタルの蛍光の半値幅は２０ｎｍ程度と通常のバルクの蛍光体、例えばＺｎＳ：Ａｇの６０ｎｍに比べ非常に狭いので、色品質の良い発光装置、画像表示装置を得ることができる。

また、ＩｎＮの結晶サイズを小さくすることで、赤色以外に緑色および青色の蛍光物質もＩｎＮのナノクリスタルで実現が可能であり、１つの材料で赤〜青までの蛍光を得ることができる。

そして、上述のようなナノクリスタルからなる蛍光物質を励起光に近い方から赤色蛍光物質、緑色蛍光物質および青色蛍光物質と積層することにより白色蛍光を得ることも可能であり、この白色蛍光体をＧａＮ系発光素子光で励起することにより、白色の照明装置を得ることができる。

以上のように、量子サイズ効果を示すようなＩＩＩ族窒化物化合物半導体の微結晶、すなわちナノクリスタルからなる蛍光体には、非常に大きな量子効率を示すものがあるので、このような蛍光体を３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の発光素子で励起することにより、効率の良い表示装置や照明装置を実現することができる。

励起波長を３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするのは、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体において、３８０ｎｍ以下の高効率のレーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製することが困難なためであり、５００ｎｍ以下とするのは５００ｎｍ以上の励起光では青色の蛍光を得ることができないためである。

本発明は、以上のような検討結果に基づいてなされたもので、１次光を発する光源と、光源からの１次光の少なくとも一部を吸収して、１次光のピーク波長よりも長いピーク波長を有する２次光を発する蛍光物質を含む蛍光体と、を備える発光装置において、前記蛍光物質はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の微粒子結晶であり、前記蛍光体は３つの層を有し、当該層は前記１次光の入射する側から出射する側に向かって前記蛍光物質のサイズが小さくなるように積層されることを特徴とする。

前記蛍光物質であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の微粒子結晶（ナノクリスタル）は、図２に示すように、エネルギーギャップの小さい部位をエネルギーバンドギャップの大きい部位で取り囲む多層構造とするのが好ましい。

１次光の光源は、典型的には、少なくとも１つ以上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子で、一次元または二次元のアレイ状に配置されてもよい。

これらの発光素子は、典型的には、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板などの基板上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させることにより形成される。

前記蛍光物質であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなり、中でもＩＩＩ族内でのＩｎの比率が５０％以上であり、かつＶ族内での窒素の比率が９５％以上であることが好ましい。

また、１次光源の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮ、ＧａＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＧａＮＰなどである。

上述のように構成された本発明の発光装置によれば、蛍光物質が励起子ボーア半径の２倍以下の粒径を有する結晶（微粒子結晶）からなるので、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子から発せられる光によってこの蛍光物質を励起することにより、この蛍光物質を含む蛍光体の量子効率を高くすることができる。

本発明の発光装置のいくつかの実施形態について、図面を参照しながら説明する。各実施形態においては、１次光源として、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体レーザ（以下、単に「レーザ」とも言う）、または発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いている。一実施形態の発光装置は、図３に示すように、レーザ３０を１次光源として、このレーザ３０と蛍光体３１とが組み合わされた構成を有するものである。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体微粒子結晶を樹脂中に分散させて蛍光体を構成することも可能であり、その場合は、レーザ３０と蛍光体３１との間に、波長３９５ｎｍ未満の光を吸収又は反射する波長フィルター３２を挿入する。

また、蛍光体３１の前（出射側）に、励起レーザ光（レーザ３０からの１次光）のみを吸収又は反射する波長フィルター３３が設置されている。レーザ３０は、波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のレーザ光を発するものであり、蛍光体を微粒子結晶と樹脂から構成する場合、レーザの波長は３９５ｎｍ以上５００ｎｍ以下が望ましい。蛍光体３１はレーザ３０からのレーザ光によって励起されて、可視域の蛍光を発する蛍光物質を含むものである。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ３０と蛍光体３１との組み合わせは、互いを密着させたものでも、分離したものでもよい。蛍光体３１は、レーザ３０からのレーザ光を受光し得るように、レーザ３０に対向して配置される。図３（ａ）に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体微粒子結晶を分散させているガラス又はアクリルなどの樹脂（蛍光体）にレーザ光を照射する配置でもよいし、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体微粒子結晶を塗布又はコーティングした面（蛍光体の一部）にレーザ光を照射する配置でもよいし、さらには、レーザ光と光学的結合性（カップリング）の良好な球状体又は光ファイバ状に加工した蛍光体を配置してもよい。また、図４に示すように、１次光源４０と蛍光体４１との間にレンズ４４等の光学系を有する構成でもよい。

また、図５に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体微粒子結晶を分散させた光ファイバ５１のコアに１次光源を結合させてもよい。また、図６に示すように、凹面鏡６５を用いて蛍光体６１からの蛍光を集光してもよい。さらに、図７に示すように、１次光源７０にレーザを用い、これに導光板７２と散乱板７３を結合させて導光板７２から垂直に１次光を取り出し、取り出した先に蛍光体７１を配置して、蛍光である２次光を面状に得る発光装置としてもよい。

レーザは、波長３８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のレーザ光を発するものであればよい。また、蛍光体を微粒子結晶と樹脂から構成する場合は、３９５ｎｍ以下の光を樹脂に照射すると樹脂の劣化が起こるため、レーザの波長は３９５ｎｍ以上５００ｎｍ以下が望ましい。このため、レーザから出射される３９５ｎｍ未満の自然放出光を吸収又は反射する波長フィルターなどを、レーザと蛍光体の間に配置するのが好ましい態様となる。

レーザとしては、面発光型の素子、ストライプ型の素子、これらのいずれかのタイプの素子が配列されたレーザアレイなどが挙げられる。

レーザ光は、その一部を蛍光体を通過させて蛍光と共に利用してもよいが、本発明の発光装置を照明などに用いる場合、レーザ光を外界へ放出させるのは人体に対して好ましくない。その場合には、蛍光体で全て吸収させるか、あるいは、波長フィルターなどで外界へ放出させないようにするのが好ましい態様となる。

蛍光体の好ましい態様としては、焼結体となされたもの、石英のような透明な板状物に塗布されたもの、ガラスおよびアクリルなどのガラス状の物体に分散させ、球体、円柱状、ファイバ状に固化、加工、成形されたものなどが挙げられる。

図３（ａ）に示すように、レーザ３０と蛍光体３１とを分離して組み合わせる場合、蛍光体は単独の部材、部品となる。例えば、蛍光体３１を、蛍光物質が塗布又はコーティングされた透明部材、蛍光物質が分散したガラス部材などとし、レーザ素子と組み合わせて用いればよい。

図８は、図３（ａ）に示す発光装置のレーザ３０の態様の一例である。同図のＧａＮ系半導体レーザ３０は、リッジ構造を有し、活性層８４の両端に劈開による共振器を形成し、活性層８４に平行に共振させて出射する構造である。この構成によって、レーザ光は紙面に対して垂直な方向に発振し、蛍光体３１内に出射され、蛍光が外界に出力される。

図８のレーザ３０は、結晶基板（例えば、ＧａＮ結晶基板）８０上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層８１、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８２、ｎ−ＧａＮガイド層８３、ＩｎＧａＮ活性層８４、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層８５、p−ＧａＮガイド層８６、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８７、p−ＧａＮコンタクト層８８が積層され、ｎ型電極８９、ｐ型電極８００とリッジ以外の部分はＳｉＯ₂８０１でｐ型電極８９とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８７が絶縁されている構造をとる。また、１次光源としては面発光レーザを用いてもよく、１次光源にＬＥＤを用いてもよい。

１次光源に用いる素子の結晶基板には、ＧａＮ基板の他、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、水晶など、ＧａＮ系結晶が成長可能な公知の基板を用いることができる。

発光に係る構造は、レーザの発光と発振、ＬＥＤの発光に好ましい構造とすればよく、ダブルヘテロ接合構造、ＳＱＷ（Single Quantum Well）、ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）、量子ドットを含む構造などが好ましいものとして挙げられる。さらに、ＬＥＤの場合には、ホモ接合、ヘテロ接合による単純な２層によるｐｎ接合であってもよい。

以下、本発明のいくつかの実施例について説明する。

＜実施例１＞
図３（ａ）に示す構成で、発光装置を作製した。
［１次光源］
本実施例では、図８に示す態様、即ち、リッジ構造を有するストライプレーザを１次光源として製作した。以下の説明において、ｃｍ^-3の単位で表したものはキャリア濃度である。

［レーザ］
図８に示すように、ＧａＮ基板上８０に、ｎ−ＧａＮコンタクト層８１（厚さ３μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層８２（厚さ１μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ−ＧａＮガイド層８３（厚さ０．１μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの３ＭＱＷ活性層８４、ｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ蒸発防止層８５（厚さ０．０２μｍ、1×１０¹⁸ｃｍ^-3）、p−ＧａＮガイド層８６（厚さ０．１μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層８７（厚さ０．６μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、p−ＧａＮコンタクト層８８（厚さ０．１μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を積層した。

次に、ＲＩＥによって部分的に積層体の上層からエッチングして、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８７の一部を残して露出させ、その上にＳｉＯ₂（０．３μｍ）８０１を積層し、その上にｐ型電極８００（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）を形成し、基板裏面にｎ型電極８９（Ｔｉ／Ａｌ）を形成した。素子の発振波長は４０５ｎｍであった。

［蛍光体］
体積が８〜１０００ｎｍ³（一辺２〜１０ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルを化学合成法で合成し、ゾルゲル法によって、ＩｎＮナノクリスタルを分散したアクリル樹脂を膜状（厚さ３μｍ）に形成した。体積が８〜１０００ｎｍ³（一辺２〜１０ｎｍ）と幅を持つのは、合成条件によって同じ蛍光波長を得る体積が変化する為である。

［評価］
上記発光装置のレーザに電力を供給し、レーザ発振させたところ、蛍光波長６３５ｎｍで８０〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。また、このエネルギー変換効率が１／２になる時間を寿命時間として表すと、およそ１００００時間であった。

比較のため、図３（ａ）に示す波長フィルター３２を外して上記発光装置を駆動させたところ、エネルギー変換効率が１／２になる寿命時間は１０００時間であった。

＜実施例２＞
図３（ｂ）に示す構成で、発光装置を作製した。
［１次光源］
１次光源としては実施例１のレーザと同様のレーザを用いた。

［蛍光体］
体積が３.３７５〜６４ｎｍ³（一辺１.５〜４ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルをレーザアブレーション法により成長させ、ＩｎＮ上にＧａＮを同様のレーザアブレーション法により成長させて、図２に示すような量子井戸構造を有するＩｎＮ／ＧａＮナノクリスタルを作製し、このナノクリスタルを分散したアクリル樹脂を円筒状に形成した。３.３７５〜６４ｎｍ³（一辺１.５〜４ｎｍ）と幅を持つのは、成長条件によって同じ蛍光波長を得る体積が変化する為である。

［評価］
上記発光装置のレーザに電力を供給し、レーザ発振させたところ、蛍光波長５２０ｎｍで１２０〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。

比較のため、発振波長の異なるレーザを作製して励起光源として用い、励起光源の波長とエネルギー変換効率が１／２になる寿命時間の相関を求めた。なお、波長フィルター３２としては、発振波長未満の自然放出光を吸収又は反射するものを選択して用いた。図９に波長とエネルギー変換効率が１／２になる寿命時間との関係を示す。ガラス樹脂では３８０ｎｍ以下において寿命時間が減少し始め、アクリル樹脂では３９５ｎｍ以下において寿命時間が減少し始める。ガラス樹脂の場合は励起光源のレーザが劣化することが原因で、アクリル樹脂の場合はアクリル樹脂が劣化することが原因である。

＜実施例３＞
図４に示す構成で、発光装置を作製した。
［１次光源］
本実施例では、図１０に示す態様のＬＥＤを製作した。以下の説明において、ｃｍ^-3の単位で表したものは、キャリア濃度である。

図１０に示すように、サファイア基板９０上に、バッファ層（表示せず）を成長させ、ｎ−ＧａＮコンタクト層９１（厚さ３μｍ、1×１０¹⁸ｃｍ^-3）、Ｉｎ_0.12Ｇａ_0.87Ｎ／ＧａＮの５ＭＱＷ活性層９２、ｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ蒸発防止層９３（厚さ０．０２μｍ、1×１０¹⁸ｃｍ^-3）、p−ＧａＮコンタクト層９４（厚さ０．２μｍ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を積層した。次に、ＲＩＥによって部分的に積層体の上層からエッチングして、ｎ−ＧａＮコンタクト層９１の一部を残して露出させ、その上にｎ型電極９５（Ｔｉ／Ａｌ）を形成し、p−ＧａＮコンタクト層９４上にｐ型透明電極９６（Ｐｄ：０．００８ｎｍ）とその一部分にｐ型電極９７（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）を形成した。

［蛍光体］
体積が８〜２７ｎｍ³（一辺２〜３ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルと、体積が１０.７〜６４ｎｍ³（一辺２.２〜４ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルと、体積が１７.６〜５１２ｎｍ³（一辺２.６〜８ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルの３種類を、レーザアブレーション法により作製し、図１１に示すように、１次光の入射側から出射側に向かいＩｎＮナノクリスタルのサイズが小さくなるような３層構造としてアクリルに分散させた。これら３層の各々の膜厚は、各層の１次光の吸収を考慮し、各層から出射され合成される蛍光が白色になるように調整した。

［評価］
上記発光装置のＬＥＤに電力を供給し、発光させたところ白色光が得られ、６０〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。
＜実施例４＞
図５に示す構成で、発光装置を作製した。

［１次光源］
１次光源は埋め込みタイプのストライプレーザを用いた。

［蛍光体］
体積が１２５〜３４３ｎｍ³（一辺５〜７ｎｍ）であるＩｎ_0.95Ｇａ_0.05Ｎナノクリスタルを化学合成法により合成し、そのＩｎＧａＮ上にＡｌＮを同様に化学合法により合成し、図２に示すような量子井戸構造を有するＩｎ_0.95Ｇａ_0.05Ｎ／ＡｌＮナノクリスタルを作製した。そして、このナノクリスタルを分散させたコアを有する光ファイバを作製した。

［評価］
上記発光装置のレーザに電力を供給し、レーザ発振させたところ、波長６００ｎｍで１２０〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。
＜実施例５＞
図６に示す構成で、発光装置を作製した。

［１次光源］
１次光源は面発光レーザを用いた。

［蛍光体］
体積が３４３〜５１２ｎｍ³（一辺７〜１０ｎｍ）であるＩｎ_0.98Ｇａ_0.02Ｎ_0.99Ｐ_0.01ナノクリスタルを化学合成法で合成し、ゾルゲル法によって、ＩｎＧａＮＰナノクリスタルを分散したガラスを膜状（厚さ1ｍｍ）に形成した。

［評価］
上記発光装置のレーザに電力を供給し、レーザ発振させたところ、波長５６０ｎｍで１００〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。
＜実施例６＞
図７に示す構成で、発光装置を作製した。

［１次光源］
１次光源としては実施例１のレーザと同様のレーザを用いた。

［蛍光体］
体積が３４３〜１０００ｎｍ³（一辺７〜１０ｎｍ）であるＩｎＮナノクリスタルを化学合成法で合成し、ゾルゲル法によって、ＩｎＮナノクリスタルを分散したガラス膜（厚さ１０μｍ）を導光板上に形成した。

［評価］
上記発光装置のレーザに電力を供給し、レーザ発振させたところ、波長５５０ｎｍで１００〔ｌｍ／Ｗ〕のエネルギー変換効率であった。

以上のように、本発明によれば、高輝度、低消費電力かつ長寿命の白色光を出射可能な発光装置が得られる上、蛍光体の材料としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いているので、環境を害するおそれも少ない。

ＺｎＳのバンドギャップエネルギーの結晶サイズ依存性を示す略線図。 ＣｄＳｅ量子ドットを示す断面図およびエネルギーバンド図。 本発明の発光装置の構成例を模式的に示す図。 本発明の発光装置の他の構成例を模式的に示す図。 本発明の発光装置の他の構成例を模式的に示す図。 本発明の発光装置の他の構成例を模式的に示す図。 本発明の発光装置の他の構成例を模式的に示す図。 本発明の発光装置に１次光源として用いるレーザの構成例を模式的に示す断面図。 本発明の発光装置に１次光源として用いるレーザの発振波長と発光装置の寿命の相関を示す図。 本発明の発光装置に１次光源として用いるＬＥＤの構成例を模式的に示す断面図。 本発明の蛍光装置に用いる蛍光体の積層例を模式的に示す断面図。

符号の説明

３０、４０、５０、６０、７０ １次光源
３１、４１、５１、６１、７１ 蛍光体
３２、４２、５２、６２ 波長フィルター
３３、４３、５３、６３ １次光カット波長フィルター
４４、５４ コリメイトレンズ
６４ 光ファイバ
６５ 凹面鏡
７２ 導光板
７３ 散乱版
８０、９０ 基板
８１、９１ ｎコンタクト層
８２ ｎクラッド層
８３ ｎガイド層
８４、９２ 活性層
８５、９３ ｐ蒸発防止層
８６ ｐガイド層
８７ ｐクラッド層
８８、９４ ｐコンタクト層
９７、８９ ｐ型電極
９５、８００ ｎ型電極
９６ ｐ型透明電極
１００ 赤色蛍光体
１０１ 緑色蛍光体
１０２ 青色蛍光体
８０１ ＳｉＯ₂膜

Claims (10)

1. １次光を発する光源と、
   光源からの１次光の少なくとも一部を吸収して、１次光のピーク波長よりも長いピーク波長を有する２次光を発する蛍光物質を含む蛍光体と、を備える発光装置において、
   前記蛍光物質はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の微粒子結晶であり、
   前記蛍光体は３つの層を有し、当該層は前記１次光の入射する側から出射する側に向かって前記蛍光物質のサイズが小さくなるように積層されることを特徴とする発光装置。
2. 前記光源は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より成る発光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記蛍光物質であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に含まれるＩＩＩ族元素のうちの５０％以上がインジウムであり、
   Ｖ族元素のうちの９５％以上が窒素であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記蛍光物質であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が窒化物半導体であり、その微粒子結晶の各々がエネルギーバンドギャップの一定な部位のみを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
5. 前記蛍光物質であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が窒化物半導体であり、その微粒子結晶の各々が、第１の部位と、第１の部位を取り囲み第１の部位よりもエネルギーバンドギャップの大きい第２の部位とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記蛍光体は樹脂中に前記蛍光物質を分散させたものであり、
   前記光源は、ピーク波長が３９５ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下の１次光を発することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
7. 前記蛍光体はガラス中に前記蛍光物質を分散させたものであり、
   前記光源は、ピーク波長が３８０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下の１次光を発することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
8. 前記光源から前記蛍光体までの光路上に、３９５ｎｍ未満の波長の光を遮断するフィルターを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光装置。
9. 前記蛍光体が発する２次光の光路上に、前記光源が発する１次光を遮断するフィルターを備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光装置。
10. 蛍光物質を含む蛍光体であって、
    前記蛍光物質はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の微粒子結晶であり、
    前記蛍光体は３つの層を有し、当該層は１次光の入射する側から出射する側に向かって前記蛍光物質のサイズが小さくなるように積層されることを特徴とする蛍光体。

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