JP2011014697A - White light-emitting device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a white light-emitting device that has excellent uniformity of a spatial color hue and excellent luminous efficiency.SOLUTION: The white light-emitting device is configured as follows. A blue phosphor, a green phosphor, and an orange phosphor are excited by using radiation light of a semiconductor light-emitting element having a main luminescence-peak wavelength of 400-440 nm. The white light mainly composed of the radiation light of the phosphors is made as output light of the white light-emitting device. The white light is configured such that a wavelength, in which a spectrum strength becomes maximum in a region on the long-wavelength side longer than 515 nm, is in a range of 535-600 nm while a spectrum strength in a range of a wavelength of 570-600 nm is equal to or more than a half of the maximum spectrum strength in the region on the long-wavelength side longer than 515 nm.

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)素子などの半導体発光素子と波長変換物質である蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光装置に関し、とりわけ、蛍光体として青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を用い、これらの蛍光体が放射するフォトルミネッセンス光を主体として組成される白色光を、出力光とする白色発光装置に関する。   The present invention relates to a white light-emitting device configured by combining a semiconductor light-emitting element such as a light-emitting diode (LED) element and a phosphor that is a wavelength conversion material, and in particular, blue phosphor, green phosphor, and orange phosphor as phosphors. And a white light-emitting device that uses, as output light, white light composed mainly of photoluminescence light emitted from these phosphors.

一般式AlInGaN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表される窒化物半導体で形成されたLED構造を備える窒化物系LED素子が、紫外線〜緑色にわたる短波長光を発生可能な発光素子として広く用いられている。その中でも、活性層(特に、量子井戸層)をInGaN(上記一般式においてx=0、0<y<1)で形成したInGaN系LED素子は、特に発光効率が高いことで知られている。 Nitride system comprising an LED structure formed of a nitride semiconductor represented by the general formula Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) LED elements are widely used as light emitting elements capable of generating short wavelength light ranging from ultraviolet to green. Among them, an InGaN-based LED element in which an active layer (in particular, a quantum well layer) is formed of InGaN (in the above general formula, x = 0, 0 <y <1) is known to have particularly high luminous efficiency.

また、窒化物系LED素子と蛍光体とを組み合わせた白色発光装置(白色LED)が実用化されている。その代表例が、InGaN系青色LED素子が放射する青色光と、その青色光をCe付活YAG蛍光体で波長変換させて得られる黄色光とを混合して、白色光を生成させるタイプの白色発光装置である(特許文献1)。本明細書では、以下、このタイプの白色発光装置をB−Y型と呼ぶことにする。   In addition, a white light emitting device (white LED) in which a nitride LED element and a phosphor are combined has been put into practical use. A typical example is a type of white light that generates white light by mixing blue light emitted from an InGaN-based blue LED element and yellow light obtained by converting the wavelength of the blue light with a Ce-activated YAG phosphor. This is a light emitting device (Patent Document 1). In the present specification, this type of white light emitting device is hereinafter referred to as a BY type.

B−Y型白色発光装置は、視感度が最大となる波長域(555nm付近)に出力光のスペクトルが集中しているので、[lm/W](lumen per watt:単位電力あたりの全光束)という単位を用いて表される発光効率(luminous efficacy)が極めて高い光源、即ち、視覚上たいへん明るく感じられる光源となる。
しかし、B−Y型発光装置には、空間的な色調の均一性(spatial color uniformity)が低いという欠点がある。これを簡単にいえば、放射される白色光の色調が、光源をどの方向から見るかによって異なっているということである。この現象は、青色光源であるLEDチップと、黄色光源である蛍光体粉末(通常、樹脂中に分散される)との間で、放射パターンが著しく異なっていることが原因となって生じる。
Since the spectrum of the output light is concentrated in the wavelength range (near 555 nm) where the visibility is maximized, the BY type white light emitting device has [lm / W] (lumen per watt: total luminous flux per unit power). It is a light source having a very high luminous efficacy expressed using the unit, i.e., a light source that feels very bright visually.
However, the BY light-emitting device has a drawback of low spatial color uniformity. In short, the color tone of the emitted white light differs depending on the direction from which the light source is viewed. This phenomenon occurs because the radiation pattern is significantly different between the LED chip that is a blue light source and the phosphor powder that is a yellow light source (usually dispersed in a resin).

B−Y型におけるこの問題を解決するために、視感度が低い近紫外線または紫色光を放射する窒化物系LED素子を励起光源に用い、青、緑および赤の三原色光を蛍光体による波長変換により発生させるようにした白色発光装置も知られている(特許文献2)。本明細書では、以下、このタイプの白色発光装置をRGB型と呼ぶことにする。   In order to solve this problem in the BY type, a nitride-based LED element that emits near-ultraviolet light or violet light with low visibility is used as an excitation light source, and wavelength conversion of three primary colors of blue, green, and red is performed by a phosphor. There is also known a white light emitting device generated by the above (Patent Document 2). In the present specification, hereinafter, this type of white light emitting device is referred to as an RGB type.

国際公開第WO98/05078号パンフレットInternational Publication No. WO98 / 05078 Pamphlet 特開2003−249694号公報JP 2003-249694 A 米国特許第3576756号公報U.S. Pat. No. 3,576,756 米国特許第2006/0169998号公報US 2006/0169998

E.FRED SCHUBERT:LIGHT-EMITTING DIODES、CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS、2003E.FRED SCHUBERT: LIGHT-EMITTING DIODES, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 2003

B−Y型とRGB型の白色発光装置を比較すると、空間的な色調の均一性ではRGB型が優れているが、発光効率に関してはB−Y型が圧倒的に有利である、というのが当業界における一般的な認識である。なぜなら、蛍光体による波長変換により生成させる光が、B−Y型発光装置では黄色光のみであるのに対し、RGB型発光装置では三原色光の全てであるからである。つまり、RGB型ではB−Y型よりも波長変換に伴う損失が大きくなるからである。この損失にはストークス・シフト(Stokes shift)も含まれる。
従って、B−Y型とRGB型の両者の利点を兼ね備えた白色発光装置、すなわち、空間的な色調の均一性に優れると同時に、発光効率にも優れた白色発光装置が、望まれている。
Comparing the BY type and RGB type white light emitting devices, the RGB type is superior in spatial color uniformity, but the BY type is overwhelmingly advantageous in terms of luminous efficiency. This is a general recognition in the industry. This is because the light generated by the wavelength conversion by the phosphor is only yellow light in the BY light-emitting device, but is all three primary color lights in the RGB light-emitting device. In other words, the loss associated with wavelength conversion is greater in the RGB type than in the BY type. This loss includes Stokes shift.
Therefore, a white light-emitting device that has the advantages of both the BY type and the RGB type, that is, a white light-emitting device that is excellent in spatial color tone uniformity and also in light emission efficiency, is desired.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間的な色調の均一性にも、発光効率にも優れた、白色発光装置を提供することを、その主たる目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to provide a white light emitting device which is excellent in spatial color tone uniformity and luminous efficiency.

RGB型の白色発光装置の方が、B−Y型よりも、波長変換により発生させる色の数が多いことは事実である。他方で、近紫外〜青色波長の光で励起可能な蛍光体には、青色よりも短波長側でより高い励起効率を示すものが多いということも、事実である。また、B−Y型白色発光装置が有する前述の欠点は、半導体発光素子の放射光を拡散剤などの手段を用いて拡散させることにより軽減し得るが、この方法には、半導体発光素子の取出効率の低下が不可避的に付随する。
更にいえば、ストークス・シフトが白色発光装置の効率に支配的な影響を及ぼすのは、蛍光体の効率を低下させる他の主な要因の殆どが取り除かれた場合に限られるところ、現実には、蛍光体の外部量子効率は100%に達しておらず、また、発光装置レベルでの光取出効率にも改善の余地は大きく残されている。
従って、RGB型の白色発光装置が発光効率の点でB−Y型と競合し得ないと結論することは早計である。
本発明は、このような考察に基づきなされた研究の結果、完成されたものである。
上記目的を達成するために、本発明の白色発光装置は下記構成を採用するものである。
It is true that the RGB type white light emitting device generates more colors by wavelength conversion than the BY type. On the other hand, it is also true that many phosphors that can be excited by light of near ultraviolet to blue wavelengths exhibit higher excitation efficiency on the shorter wavelength side than blue. Further, the above-mentioned drawbacks of the BY type white light emitting device can be alleviated by diffusing the radiated light of the semiconductor light emitting element using means such as a diffusing agent. A decrease in efficiency is inevitably accompanied.
Furthermore, the Stokes shift has a dominant effect on the efficiency of white light-emitting devices only when most of the other major factors that reduce the efficiency of the phosphor are removed. The external quantum efficiency of the phosphor does not reach 100%, and there is still much room for improvement in the light extraction efficiency at the light emitting device level.
Therefore, it is too early to conclude that the RGB type white light emitting device cannot compete with the BY type in terms of luminous efficiency.
The present invention has been completed as a result of researches based on such considerations.
In order to achieve the above object, the white light emitting device of the present invention adopts the following configuration.

主発光ピーク波長を400nm〜440nmに有する半導体発光素子の放射光を用いて青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を励起し、これらの蛍光体の放射光を主体として組成される下記(A)の白色光を、出力光とする白色発光装置。
(A)515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長を535nm〜600nmの範囲に有し、かつ、570nm〜600nmの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が515nmより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上である、白色光。
A blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor are excited using the emitted light of a semiconductor light emitting device having a main emission peak wavelength in the range of 400 nm to 440 nm, and are composed mainly of the emitted light of these phosphors (A ) White light-emitting device that uses white light as output light.
(A) The wavelength having the maximum spectral intensity in the region on the longer wavelength side from 515 nm is in the range of 535 nm to 600 nm, and the spectral intensity at an arbitrary wavelength in the range of 570 nm to 600 nm is on the longer wavelength side than 515 nm. White light that is more than half of the maximum spectral intensity in the region.

本発明に係る上記白色発光装置において、半導体発光素子の主発光ピーク波長に400nmという下限を設ける理由は、ストークス・シフトを小さくするためである。たとえ、励起光の波長を短くした方が蛍光体の励起効率が高くなる場合ですら、ストークス・シフトの存在によって、励起光の短波長化に必然的に伴う半導体発光素子の消費電力増に見合うだけの、発光効率の増加が期待できない場合がある。ストークス・シフトをより小さいものとするために、半導体発光素子の主発光ピーク波長は、好ましくは410nm以上であり、より好ましくは420nm以上である。   In the white light emitting device according to the present invention, the reason why the lower limit of 400 nm is provided for the main emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is to reduce the Stokes shift. Even if the excitation efficiency of the phosphor increases when the wavelength of the excitation light is shortened, the presence of the Stokes shift is commensurate with the increase in power consumption of the semiconductor light-emitting element that is inevitably associated with the shortening of the wavelength of the excitation light. However, there is a case where an increase in luminous efficiency cannot be expected. In order to make the Stokes shift smaller, the main light emission peak wavelength of the semiconductor light emitting device is preferably 410 nm or more, more preferably 420 nm or more.

特に、InGaN系発光素子の場合には、活性層に量子井戸構造を採用することにより発光スペクトルの半値幅を25nm以下に抑えることができるので、主発光ピーク波長を410nm以上とすれば、放射光に含まれる波長400nm未満の紫外線成分をゼロに近づけることができる。半導体発光素子からの紫外線の発生量を抑えることにより、当該白色発光装置の部材として紫外線劣化耐性の低い樹脂材料を用いることが可能となる。   In particular, in the case of an InGaN-based light-emitting element, the half-width of the emission spectrum can be suppressed to 25 nm or less by adopting a quantum well structure in the active layer. Therefore, if the main emission peak wavelength is 410 nm or more, the emitted light The ultraviolet component having a wavelength of less than 400 nm contained in can be brought close to zero. By suppressing the generation amount of ultraviolet rays from the semiconductor light emitting element, it is possible to use a resin material having low resistance to ultraviolet degradation as a member of the white light emitting device.

本発明に係る上記白色発光装置において、半導体発光素子の主発光ピーク波長に440nmという上限を設けている理由は、半導体発光素子の放射光に含まれる、視感度の高い青色成分を少なくするためである。それによって、半導体発光素子の放射光が発光装置の出力光の色調に与える影響を小さくすることができ、ひいては、発光装置の空間的な色調均一性を高めることができる。   In the white light emitting device according to the present invention, the reason why the upper limit of 440 nm is set on the main emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is to reduce the blue component with high visibility contained in the emitted light of the semiconductor light emitting element. is there. Accordingly, the influence of the emitted light of the semiconductor light emitting element on the color tone of the output light of the light emitting device can be reduced, and consequently the spatial color tone uniformity of the light emitting device can be improved.

上記の如く、InGaN系発光素子では活性層に量子井戸構造を採用することにより発光スペクトルの半値幅を25nm以下に抑えることができるので、主発光ピーク波長を440nm以下としたとき、放射光に含まれる波長460nm以上の成分をゼロに近づけることができる。明所視の視感度曲線(CIE 1978)は波長460nmで立ち上がるため、波長460nm未満の紫色光と波長460nm以上の青色光とでは、前者の方が後者よりも、発光装置の出力光の色調に与える影響ははるかに小さい。   As described above, by adopting a quantum well structure in the InGaN-based light emitting device, the half-value width of the emission spectrum can be suppressed to 25 nm or less. Therefore, when the main emission peak wavelength is 440 nm or less, it is included in the emitted light. The component having a wavelength of 460 nm or more can be brought close to zero. The photopic curve (CIE 1978) for photopic vision rises at a wavelength of 460 nm. Therefore, in the violet light having a wavelength of less than 460 nm and the blue light having a wavelength of 460 nm or more, the former is more in color tone of the output light of the light emitting device than the latter. The effect is much smaller.

本発明に係る上記白色発光装置では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体がそれぞれ放射する青色光、緑色光および橙色光を主体として上記(A)の白色光を組成し、この白色光を出力光とする。ここでいう光の色(青、緑、橙、白)は、CIE色度図上における色の割り当てに従って定義される色である。この割り当てについては、非特許文献1の296頁のFig.17.4(1931 CIE chromaticity diagram with areas attributed to distinct colors (after Gage et al., 1977))を参照すればよい。なお、本明細書においては、蛍光体の呼称を、その蛍光体が放射する光の色に基づき定めている。例を挙げれば、青色光を放射する蛍光体を青色蛍光体と呼び、緑色光を放射する蛍光体を緑色蛍光体と呼び、橙色光を放射する蛍光体を橙色蛍光体と呼んでいる。   In the white light emitting device according to the present invention, the white light of the above (A) is composed mainly of blue light, green light and orange light emitted from the blue phosphor, green phosphor and orange phosphor, respectively. Is the output light. The color of light (blue, green, orange, white) here is a color defined according to the color assignment on the CIE chromaticity diagram. For this assignment, see FIG. 17.4 (1931 CIE chromaticity diagram with areas attributed to distinct colors (after Gage et al., 1977)). In the present specification, the name of the phosphor is determined based on the color of light emitted from the phosphor. For example, a phosphor that emits blue light is called a blue phosphor, a phosphor that emits green light is called a green phosphor, and a phosphor that emits orange light is called an orange phosphor.

波長変換に伴う損失を低減するために、使用する青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体には、いずれも、半導体発光素子の放射光による励起が可能なものが選択される。従来技術において、半導体発光素子の放射光により青色蛍光体を励起し、その青色蛍光体の放射光のみを用いて黄色蛍光体を励起する方式の白色発光装置が提案されたことがあるが、この従来方式では黄色光の生成の過程で波長変換ロスが二重に発生していた。   In order to reduce the loss associated with wavelength conversion, a blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor to be used are all capable of being excited by the emitted light of the semiconductor light emitting device. In the prior art, there has been proposed a white light emitting device that excites a blue phosphor with the emitted light of a semiconductor light emitting element and excites a yellow phosphor using only the emitted light of the blue phosphor. In the conventional method, double wavelength conversion loss occurs in the process of generating yellow light.

本発明に係る上記白色発光装置は、蛍光体の放射光を主体として組成される白色光を出力光とするので、従来のRGB型白色発光装置の場合と同様の理由から、空間的な色調の均一性が高い。よって、半導体発光素子の放射光を拡散させるための構成(光拡散剤など)を省略または削減することができる。かかる構成の採用は、半導体発光素子の光の取出効率を低下させるので好ましくない。   Since the white light emitting device according to the present invention uses white light composed mainly of the radiated light of the phosphor as the output light, for the same reason as in the case of the conventional RGB type white light emitting device, it has a spatial color tone. High uniformity. Therefore, a configuration (such as a light diffusing agent) for diffusing the emitted light of the semiconductor light emitting element can be omitted or reduced. Adopting such a configuration is not preferable because it reduces the light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device.

本発明に係る上記白色発光装置では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光に関して、515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長が、535nm〜600nmの範囲に存することを要件としている。この要件は、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルを、(i)視感
度が最大である波長域か、もしくは、(ii)黄色波長域に、集中させることを意図している。なお、515nmという波長は、緑色波長域(当該領域内の波長を有する単色光が緑色を呈する波長域)の下限波長である。
In the white light emitting device according to the present invention, with respect to white light composed mainly of radiated light of a blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor, a wavelength having a maximum spectral intensity in a region longer than 515 nm, The requirement is to be in the range of 535 nm to 600 nm. This requirement is intended to concentrate the combined spectrum of the green and orange phosphor radiation in (i) the wavelength range where the visibility is maximum or (ii) the yellow wavelength range. . Note that the wavelength of 515 nm is the lower limit wavelength of the green wavelength region (the wavelength region in which monochromatic light having a wavelength in the region exhibits green).

明所視に関するCIE視感度曲線によれば、波長555nmでの視感度を1とすると、波長535nm〜575nmの範囲で視感度は0.9以上となる。よって、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度がこの波長範囲内で最大値を取るようにするということは、発光装置に投入するエネルギーを、これら2つの蛍光体を通して、視覚上最も明るく見える光の生成に集中させることを意味する。   According to the CIE visibility curve regarding photopic vision, when the visibility at a wavelength of 555 nm is 1, the visibility is 0.9 or more in the wavelength range of 535 nm to 575 nm. Therefore, the intensity of the combined spectrum of the emitted light of the green phosphor and the orange phosphor takes a maximum value within this wavelength range. This means that the energy input to the light-emitting device is visually transmitted through these two phosphors. It means focusing on the production of light that looks brightest on.

一方、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度が黄色波長域で最大値を取るようにしたときは、発光装置への投入エネルギーが、これら2つの蛍光体および青色蛍光体を通して、最も効率よく、RGBのバランスの取れた白色光に変換される。黄色光と青色光とから白色の知覚が生じること、また、その理由が、ヒトの網膜のM錐体(緑錐体)とL錐体(赤錐体)を黄色光が刺激し、S錐体(青錐体)を青色光が刺激するからであることは、よく知られている通りである。なお、ここでいう黄色波長域とは、波長570nm〜600nmの領域のことである。この領域内の波長を有する単色光は黄色を呈する。   On the other hand, when the intensity of the combined spectrum of the emitted light of the green phosphor and the orange phosphor takes a maximum value in the yellow wavelength region, the input energy to the light emitting device passes through these two phosphors and the blue phosphor. The most efficient conversion to RGB balanced white light. The perception of white color from yellow light and blue light, and the reason is that yellow light stimulates the M cone (green cone) and L cone (red cone) of the human retina, and the S cone. It is well known that blue light stimulates the body (blue cone). In addition, the yellow wavelength region here is a region having a wavelength of 570 nm to 600 nm. Monochromatic light having a wavelength in this region exhibits a yellow color.

本発明に係る上記白色発光装置では、また、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光に関して、570nm〜600nmの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が、515nmより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上であることを要件としている。緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルが黄色波長領域内の波長成分を十分に含まないと、これら2つの蛍光体および青色蛍光体の放射光からRGBのバランスの取れた光を生成させることができないからである。従って、上記白色光において、570nm〜600nmの範囲内の任意波長におけるスペクトル強度は、515nmより長波長側の領域における最大スペクトル強度の、60%以上であることがより好ましく、80%以上であることが更に好ましい。   In the white light emitting device according to the present invention, the spectral intensity at an arbitrary wavelength within a range of 570 nm to 600 nm with respect to white light mainly composed of emitted light of a blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor, The requirement is that it is at least half of the maximum spectral intensity in the region longer than 515 nm. If the combined spectrum of the emitted light from the green and orange phosphors does not contain sufficient wavelength components in the yellow wavelength region, RGB balanced light is generated from the emitted light from these two phosphors and the blue phosphor. It is because it cannot be made to do. Therefore, in the white light, the spectral intensity at an arbitrary wavelength within the range of 570 nm to 600 nm is more preferably 60% or more, and more preferably 80% or more of the maximum spectral intensity in the region longer than 515 nm. Is more preferable.

本発明に係る上記白色発光装置の好ましい実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成される白色光のスペクトル曲線上において、緑色蛍光体の放射光に由来するピークと橙色蛍光体の放射光に由来するピークの分離が観察されない。このようなスペクトル曲線を得るには、まず、緑色蛍光体と橙色蛍光体のいずれについても、発光スペクトルにピークをひとつしか有さないものを選択する。そして、その緑色蛍光体と橙色蛍光体の発光波長を近づければよい。つまり、緑色蛍光体については発光波長が比較的長波長であるものを選択し、橙色蛍光体については発光波長が比較的短波長であるものを選択すればよい。このようなスペクトル曲線が得られるようにしたとき、発光装置に投入されるエネルギーは、緑色蛍光体および橙色蛍光体を通して、より効率的に、視感度が最大である波長域または黄色波長域の光の生成に集中されることになる。   In a preferred embodiment of the white light-emitting device according to the present invention, the white phosphor is derived from the emitted light of the green phosphor on the spectrum curve of the white light composed mainly of the emitted light of the blue phosphor, the green phosphor and the orange phosphor. The separation of the peak from the peak of the orange phosphor and the peak derived from the emitted light of the orange phosphor is not observed. In order to obtain such a spectrum curve, first, for both the green phosphor and the orange phosphor, those having only one peak in the emission spectrum are selected. Then, the emission wavelengths of the green phosphor and the orange phosphor may be brought close to each other. That is, a green phosphor having a relatively long emission wavelength may be selected, and an orange phosphor having a relatively short emission wavelength may be selected. When such a spectral curve is obtained, the energy input to the light-emitting device is transmitted through the green phosphor and the orange phosphor more efficiently, and the light in the wavelength range or yellow wavelength range where the visibility is maximum. Will be concentrated on the generation of

本発明に係る上記白色発光装置の好ましい実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光のスペクトル曲線が、波長535nm〜600nmの範囲内で上に凸であり、かつ、650nmよりも長波長側の任意の波長におけるスペクトル強度が波長600nmにおけるスペクトル強度の半分未満である。更には、650nmよりも長波長側におけるスペクトル強度は、波長600nmにおけるスペクトル強度の40%未満であることがより好ましく、30%未満であることが特に好ましい。スペクトル曲線に関するこれらの限定は、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルが波長535nm〜600nmの範囲内に効率的に集中している状態を表している。   In a preferred embodiment of the white light emitting device according to the present invention, the spectrum curve of white light composed mainly of the emitted light of a blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor is on the upper side within a wavelength range of 535 nm to 600 nm. It is convex and the spectral intensity at an arbitrary wavelength longer than 650 nm is less than half of the spectral intensity at a wavelength of 600 nm. Furthermore, the spectral intensity on the longer wavelength side than 650 nm is more preferably less than 40% and particularly preferably less than 30% of the spectral intensity at a wavelength of 600 nm. These limitations on the spectral curve represent a state where the combined spectrum of the emitted light of the green phosphor and the orange phosphor is efficiently concentrated within the wavelength range of 535 nm to 600 nm.

本発明に係る上記白色発光装置に対して、更に、赤色蛍光体であるMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を組み合わせることにより、発光効率の大幅な低下を伴うことなく、演色性を向上させたり、色域(color gamut)を拡張させたり、あるいは、色温度を低くするこ
とができる。
Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体は、発光ピーク波長を赤色波長域の中でも比較的短波長(650nmより短波長側)に有しており、かつ、発光ピークの形状が非常に鋭い(特許文献3、特許文献4)という特徴を有している。この発光スペクトル上の特徴から分かるように、この蛍光体は吸収した励起光を視感度の低い波長領域(650nmよりも長波長側の領域)の光に変換しないので、赤色蛍光体としては極めて高い変換効率を示す。
By combining the white light emitting device according to the present invention with a Mn 4+ activated fluoride complex phosphor, which is a red phosphor, the color rendering properties can be improved without significantly reducing the light emission efficiency. The color gamut can be expanded or the color temperature can be lowered.
The Mn 4+ activated fluoride complex phosphor has a light emission peak wavelength in a relatively short wavelength (shorter wavelength side than 650 nm) in the red wavelength region, and the shape of the light emission peak is very sharp (Patent Literature). 3 and Patent Document 4). As can be seen from the characteristics on the emission spectrum, this phosphor does not convert the absorbed excitation light into light in a wavelength region with low visibility (region longer than 650 nm), so it is extremely high as a red phosphor. Indicates conversion efficiency.

典型的なMn4+付活フルオロ錯体蛍光体は、化学式MXF:Mnで表されるヘキサフルオロ錯体塩型のものであるが、配位中心となる金属元素に対し5個ないし7個のフッ素イオンが配位した錯イオンを含むものもある。好ましいMn4+付活フルオロ錯体蛍光体は、ヘキサフルオロケイ酸カリウムを母体とするKSiF:Mnである。KSiF:MnにおけるSiの一部(10モル%以下)をAlで置換し、かつ、Kの一部(10モル%以下)をNaで置換したものも、好適に用いることができる。 A typical Mn 4+ -activated fluoro complex phosphor is of the hexafluoro complex salt type represented by the chemical formula M 2 XF 6 : Mn, but 5 to 7 metal atoms as a coordination center. Some include complex ions coordinated by fluorine ions. A preferred Mn 4+ activated fluorocomplex phosphor is K 2 SiF 6 : Mn based on potassium hexafluorosilicate. A material in which a part of Si (10 mol% or less) in K 2 SiF 6 : Mn is substituted with Al and a part of K (10 mol% or less) is substituted with Na can also be suitably used.

Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体を用いる場合に注意すべき点は、この蛍光体の励起スペクトルには波長400nm付近に鋭い凹みが存在することである(特許文献3)。そのため、半導体発光素子の放射光でこの蛍光体を励起するには、主発光ピーク波長が420nm以上、好ましくは430nm以上である、半導体発光素子を用いる必要がある。ただし、より短い発光ピーク波長を有する半導体発光素子を用いた場合であっても、発光効率の点で好ましいといえないものの、青色蛍光体が放射する青色光によってMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を励起することが可能である。 A point to be noted when using the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor is that the excitation spectrum of this phosphor has a sharp dent in the vicinity of a wavelength of 400 nm (Patent Document 3). Therefore, in order to excite this phosphor with the emitted light of the semiconductor light emitting device, it is necessary to use a semiconductor light emitting device having a main emission peak wavelength of 420 nm or more, preferably 430 nm or more. However, even when a semiconductor light emitting device having a shorter emission peak wavelength is used, it is not preferable in terms of light emission efficiency, but it is Mn 4+ activated fluoride complex phosphor by blue light emitted by the blue phosphor. Can be excited.

Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体を用いる実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成される、上記(A)の限定を充足する白色光に加えて、Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体の放射光が、同時に出力光として放射されるように、白色発光装置を構成する。この白色光とMn4+付活フッ化物錯体蛍光体の放射光とは、それぞれのスペクトル曲線が全く異なるので、これらの光の合成スペクトル上でも区別することが可能である。 In the embodiment using the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor, in addition to the white light satisfying the above limitation (A), which is composed mainly of the emitted light of the blue phosphor, the green phosphor and the orange phosphor. The white light emitting device is configured such that the emitted light of the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor is simultaneously emitted as output light. Since this white light and the emitted light of the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor have completely different spectral curves, they can be distinguished on the synthetic spectrum of these lights.

本発明に係る上記白色発光装置は、空間的な色調均一性にも、発光効率にも優れたものとなるので、照明装置用の光源やディスプレイ装置用の光源として好ましく使用することができる。   The white light emitting device according to the present invention is excellent in spatial color uniformity and luminous efficiency, and can be preferably used as a light source for an illumination device or a light source for a display device.

本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. InGaN系LEDチップの模式断面図である。It is a schematic cross section of an InGaN-based LED chip. 実験例1にて作製した白色LEDの発光スペクトルである。It is an emission spectrum of the white LED produced in Experimental Example 1. 比較実験例にて作製した白色LEDの発光スペクトルである。It is an emission spectrum of white LED produced in the comparative experiment example. 実験例2にて作製した白色LEDの発光スペクトルである。It is an emission spectrum of white LED produced in Experimental example 2.

以下では、図面を用いつつ、具体的な実施形態に即して本発明を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る白色発光装置の模式断面図である。この図に示す白色発光装置1はSMD(表面実装)型LEDであり、パッケージ10に設けられたキャビティ(カップ状部分)の底面上に、InGaN系LEDチップ20が接着剤(図示せず)を用いて固定されている。
Hereinafter, the present invention will be described in accordance with specific embodiments with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a white light emitting device according to an embodiment of the present invention. The white light emitting device 1 shown in this figure is an SMD (surface mounted) LED, and an InGaN-based LED chip 20 has an adhesive (not shown) on the bottom surface of a cavity (cup-shaped portion) provided in the package 10. It is fixed using.

パッケージ10は、セラミック(アルミナ、AlNなど)、白色樹脂(白色顔料を分散させた透明樹脂)などで形成された絶縁基板11と、二つのパッケージ電極12と、金属または白色材料(セラミックまたは樹脂)で形成されたリフレクタ13とから構成されている。この図では絶縁基板11とリフレクタ13とを別個の部材のように示しているが、これらは同一材料を用いて一体的に形成することもできる。   The package 10 includes an insulating substrate 11 formed of ceramic (alumina, AlN, etc.), white resin (transparent resin in which a white pigment is dispersed), etc., two package electrodes 12, and a metal or white material (ceramic or resin). It is comprised from the reflector 13 formed by. Although the insulating substrate 11 and the reflector 13 are shown as separate members in this figure, they can be formed integrally using the same material.

InGaN系LEDチップ20は、サファイア、SiC、GaNなどからなる結晶基板21と、その上に形成された窒化物半導体膜22とを有しており、その窒化物半導体膜22の表面に正負の電極が形成されている。正電極は、透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conductive Oxide)からなる透明電極23aと、その一部上に形成された金属製のボンディングパッド23bとから構成されている。負電極も、TCOからなる透明電極24aと、その一部上に形成された金属製のボンディングパッド24bとから構成されている。結晶基板21の下面には金属製の反射膜25が形成されている。   The InGaN-based LED chip 20 includes a crystal substrate 21 made of sapphire, SiC, GaN, and the like, and a nitride semiconductor film 22 formed thereon, and positive and negative electrodes are formed on the surface of the nitride semiconductor film 22. Is formed. The positive electrode is composed of a transparent electrode 23a made of a transparent conductive oxide (TCO) and a metal bonding pad 23b formed on a part thereof. The negative electrode is also composed of a transparent electrode 24a made of TCO and a metal bonding pad 24b formed on a part thereof. A metallic reflective film 25 is formed on the lower surface of the crystal substrate 21.

InGaN系LEDチップ20の正電極および負電極のそれぞれは、Au、Al、Cuなどからなるボンディングワイヤ30により、2つのパッケージ電極12のそれぞれに接続されている。
InGaN系LEDチップ20は透光性のコーティング40により埋め込まれている。コーティング40の内部には、いずれも粉末状である青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体が分散されている(蛍光体は図示せず)。これらの蛍光体は、コーティング40の内部に一様に分散させることができる。コーティング40の成形方法に関しては、モールド成形、ポッティング成形、ディッピング成形など、公知の方法から適宜選択すればよい。
Each of the positive electrode and the negative electrode of the InGaN-based LED chip 20 is connected to each of the two package electrodes 12 by a bonding wire 30 made of Au, Al, Cu or the like.
The InGaN-based LED chip 20 is embedded with a translucent coating 40. In the coating 40, a blue phosphor, a green phosphor, and an orange phosphor, which are powdered, are dispersed (the phosphor is not shown). These phosphors can be uniformly dispersed within the coating 40. A method for forming the coating 40 may be appropriately selected from known methods such as mold forming, potting forming, and dipping forming.

一実施形態では、コーティング40を多層構造として、蛍光体を含有する層と含有しない層とを設けることができる。あるいは、青色蛍光体を含有する層、緑色蛍光体を含有する層、橙色蛍光体を含有する層、3種の蛍光体のうち2種のみを含有する層など、含有する蛍光体が異なる層を種々設けることもできる。コーティングを多層構造とする場合には、層毎に成形方法を変えてもよい。   In one embodiment, the coating 40 can be a multilayer structure with a phosphor containing layer and a non-containing layer. Alternatively, layers containing different phosphors, such as a layer containing a blue phosphor, a layer containing a green phosphor, a layer containing an orange phosphor, a layer containing only two of the three types of phosphors, etc. Various arrangements can also be provided. When the coating has a multilayer structure, the molding method may be changed for each layer.

図2にInGaN系LEDチップ20の模式断面図を示す。結晶基板21の上に形成された窒化物半導体膜22中には、結晶基板21側から順に、バッファ層(図示せず)、アンドープGaN層22a、Siドープされたn型GaNコンタクト層22b、Siドープされたn型GaNクラッド層22c、GaN障壁層とInGaN井戸層とを交互に積層してなる量子井戸構造(好ましくは多重量子井戸構造)の活性層22d(内部の積層構造の図示は省略)、Mgドープされたp型Al0.2Ga0.8Nクラッド層22e、Mgドープされたp型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層22fが含まれている。これらの各層は、MOVPE法、MBE法、レーザ蒸着法、スパッタリング法など、公知の気相エピタキシャル成長法を用いて形成することができる。透明電極24aとボンディングパッド24bとからなる負電極は、エッチングにより部分的に露出したn型コンタクト層22b上に形成されている。結晶基板21の裏面側の反射膜25は、窒化物半導体膜22の形成後に、Al、Ag、Rh、Ptなどの高反射金属を材料として、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの気相成膜法により0.1μm〜1μmの厚さに形成することができる。 FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the InGaN-based LED chip 20. In the nitride semiconductor film 22 formed on the crystal substrate 21, a buffer layer (not shown), an undoped GaN layer 22a, an Si-doped n-type GaN contact layer 22b, and Si are sequentially formed from the crystal substrate 21 side. An active layer 22d having a quantum well structure (preferably a multiple quantum well structure) formed by alternately laminating doped n-type GaN cladding layers 22c, GaN barrier layers, and InGaN well layers (illustration of the internal laminated structure is omitted) Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N cladding layer 22e and Mg-doped p-type Al 0.02 Ga 0.98 N contact layer 22f are included. Each of these layers can be formed using a known vapor phase epitaxial growth method such as MOVPE method, MBE method, laser vapor deposition method, sputtering method or the like. The negative electrode composed of the transparent electrode 24a and the bonding pad 24b is formed on the n-type contact layer 22b partially exposed by etching. The reflective film 25 on the back side of the crystal substrate 21 is formed by a vapor deposition method such as vacuum deposition, sputtering, and CVD using a highly reflective metal such as Al, Ag, Rh, and Pt after forming the nitride semiconductor film 22. Can be formed to a thickness of 0.1 μm to 1 μm.

InGaN系LEDチップ20においては、活性層22dに含まれるInGaN井戸層で、電子と正孔の再結合による発光が起こる。InGaN系LEDチップ20の発光波長は、このInGaN井戸層を構成するInGa1−aN結晶のInN混晶比aを変化させることにより、制御することができる。発光ピーク波長を400nm〜440nmとするには、InN混晶比aを5%〜15%程度の範囲内に設定すればよい。 In the InGaN-based LED chip 20, light emission is caused by recombination of electrons and holes in the InGaN well layer included in the active layer 22d. The emission wavelength of the InGaN-based LED chip 20 can be controlled by changing the InN mixed crystal ratio a of the In a Ga 1-a N crystal constituting the InGaN well layer. In order to set the emission peak wavelength to 400 nm to 440 nm, the InN mixed crystal ratio a may be set in the range of about 5% to 15%.

InGaN系発光素子が高い発光効率を示す理由は、量子井戸層を構成するInGaN結晶中に、GaNとInNの相容性(miscibility)が十分に高くないことに起因して、
ナノメートル規模でInN混晶比が局所的に高くなった領域が存在し、その存在が発光再結合の効率を高めているためといわれる。
このような機構が存在することから、発光ピーク波長が400nm未満〜410nmのInGaN系発光素子の発光効率は、InGaN井戸層のInN混晶比に依存して大きく変化し、InN混晶比を高くする程、つまり、発光波長を長波長とする程、高くなる。
一方で、InGaN結晶の結晶性はInN混晶比が高くなるにつれて低下する。これら
の要素を総合すると、InGaN系発光素子の発光効率は、発光ピーク波長が紫外と青色の中間である紫色波長であるとき、とりわけ、410nm〜430nmであるときに、最大となる。
コーティング40中に分散して用いることができる青色蛍光体の一例を下記表1に示す。
The reason why the InGaN-based light emitting device exhibits high luminous efficiency is that the miscibility between GaN and InN is not sufficiently high in the InGaN crystal constituting the quantum well layer.
It is said that there is a region where the InN mixed crystal ratio is locally increased on a nanometer scale, and the presence thereof increases the efficiency of luminescence recombination.
Due to the existence of such a mechanism, the luminous efficiency of an InGaN-based light emitting device having an emission peak wavelength of less than 400 nm to 410 nm varies greatly depending on the InN mixed crystal ratio of the InGaN well layer, and the InN mixed crystal ratio is increased. The higher the light emission wavelength, the higher the emission wavelength.
On the other hand, the crystallinity of the InGaN crystal decreases as the InN mixed crystal ratio increases. When these elements are combined, the luminous efficiency of the InGaN-based light emitting element is maximized when the emission peak wavelength is a violet wavelength that is between ultraviolet and blue, particularly when it is 410 nm to 430 nm.
An example of a blue phosphor that can be used by being dispersed in the coating 40 is shown in Table 1 below.

Figure 2011014697
Figure 2011014697

特に好ましい青色蛍光体としては、高い発光効率を有する、Eu付活ハロリン酸塩系蛍光体およびEu付活アルミン酸塩系蛍光体が挙げられる。Eu付活アルミン酸塩系蛍光体は励起光の波長が410nmを超えると励起効率が急激に低下することから、InGaN系LEDチップ20の発光ピーク波長が410nmより長波長である場合には、Eu付活
ハロリン酸塩系蛍光体を用いることが好ましい。
Particularly preferable blue phosphors include Eu-activated halophosphate phosphors and Eu-activated aluminate phosphors having high luminous efficiency. Since the Eu-activated aluminate-based phosphor has a sudden decrease in excitation efficiency when the wavelength of excitation light exceeds 410 nm, when the emission peak wavelength of the InGaN-based LED chip 20 is longer than 410 nm, Eu It is preferable to use an activated halophosphate phosphor.

コーティング40中に分散して用いることができる緑色蛍光体の一例を下記表2に示す。この表に示す緑色蛍光体は、一般に、発光スペクトルにピークをひとつしか有さない。   An example of the green phosphor that can be used dispersed in the coating 40 is shown in Table 2 below. The green phosphor shown in this table generally has only one peak in the emission spectrum.

Figure 2011014697
Figure 2011014697

コーティング40中に分散して用いることができる橙色蛍光体の一例を下記表2に示す。この表に示す橙色蛍光体は、一般に、発光スペクトルにピークをひとつしか有さない。   An example of an orange phosphor that can be used dispersed in the coating 40 is shown in Table 2 below. The orange phosphor shown in this table generally has only one peak in the emission spectrum.

Figure 2011014697
Figure 2011014697

上記例示した緑色蛍光体および橙色蛍光体は、いずれもInGaN系LEDチップ20が放出する波長400nm〜440nmの紫色光により効率よく励起することができるものである。緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度が黄色波長域(570nm〜600nm)で十分に高くなるように、使用する緑色蛍光体および橙色蛍光体の種類および、各蛍光体のコーティング40内への添加量を決定する。   The green phosphor and orange phosphor exemplified above can be efficiently excited by violet light having a wavelength of 400 nm to 440 nm emitted from the InGaN LED chip 20. Types of green and orange phosphors used and coating of each phosphor so that the intensity of the combined spectrum of the emitted light of the green and orange phosphors is sufficiently high in the yellow wavelength range (570 nm to 600 nm) The amount added in 40 is determined.

このような緑色蛍光体および橙色蛍光体を用いる方法は、現在のところ最も効率よく紫色光から黄色波長域の光を生成させることができる方法であると考えられる。なぜなら、紫色光を直接的に黄色光に変換する高効率の黄色蛍光体は入手困難だからである。
コーティング40のベース材料には、透明な樹脂またはガラスを用いることができる。樹脂としては、各種の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などが挙げられ、より具体的には、メタアクリル樹脂(ポリメタアクリル酸メチルなど)、スチレン樹脂(ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体など)、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルアルコール、セルロース系樹脂(エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレートなど)、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などが例示される。また、ガラスとしては、リン酸系、ホウリン酸系、バナジウムホウ酸系、アルカリ珪酸系、ビスマス系などの、公知の低融点ガラスが好ましく例示される。
Such a method using a green phosphor and an orange phosphor is considered to be a method that can generate light in the yellow wavelength region from purple light most efficiently at present. This is because it is difficult to obtain a highly efficient yellow phosphor that directly converts violet light into yellow light.
A transparent resin or glass can be used for the base material of the coating 40. Examples of the resin include various thermoplastic resins, thermosetting resins, photocurable resins, and the like. More specifically, methacrylic resins (polymethyl methacrylate, etc.), styrene resins (polystyrene, styrene-acrylonitrile). Copolymer), polycarbonate resin, polyester resin, phenoxy resin, butyral resin, polyvinyl alcohol, cellulose resin (ethyl cellulose, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, etc.), epoxy resin, phenol resin, silicone resin, etc. . Moreover, as glass, well-known low melting glass, such as a phosphoric acid type, a borophosphoric acid type, a vanadium boric acid type, an alkali silicic acid type, a bismuth type, is illustrated preferably.

特に、照明など大出力が必要とされる用途向けの場合には、耐熱性や耐光性等を目的としてケイ素含有化合物をコーティング40のベース材料に使用することが好ましい。
ケイ素含有化合物とは、分子中にケイ素原子を有する化合物をいい、例えば、ポリオルガノシロキサン等の有機材料(シリコーン系材料)、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等の無機材料、及びホウケイ酸塩、ホスホケイ酸塩、アルカリケイ酸塩等のガラス材料を挙げることができる。中でも、透明性、接着性、ハンドリングの容易さ、機械的・熱的応力の緩和特性に優れる等の点から、シリコーン系材料が好ましい。シリコーン系材料とは、通常、シロキサン結合を主鎖とする有機重合体をいい、例えば、縮合型、付加型、ゾルゲル型、光硬化型、などのシリコーン系材料を用いることができる。
In particular, for applications that require high output such as lighting, it is preferable to use a silicon-containing compound as the base material of the coating 40 for the purpose of heat resistance, light resistance, and the like.
The silicon-containing compound refers to a compound having a silicon atom in a molecule, for example, an organic material (silicone material) such as polyorganosiloxane, an inorganic material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and borosilicate. And glass materials such as phosphosilicate and alkali silicate. Among these, silicone materials are preferable from the viewpoints of transparency, adhesiveness, ease of handling, and excellent mechanical / thermal stress relaxation characteristics. The silicone-based material usually refers to an organic polymer having a siloxane bond as a main chain. For example, a silicone-based material such as a condensation type, an addition type, a sol-gel type, and a photo-curable type can be used.

Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体の一部を例外とすれば、蛍光体の屈折率は通常1.5より大きいので、蛍光体の取出効率を高くするために、コーティング40のベース材料の屈折率は1.50より高いことが望ましい。1.50より高い屈折率を有する樹脂材料としては、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂、ジフェニルジメチル系やフェニルメチル系のシリコーン樹脂、などが挙げられる。また、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などは、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等からなる高屈折率無機ナノ粒子を添加することによって、その屈折率を1.8程度まで高くすることができることが知られている。低融点ガラス材料は、通常、1.50よりも高い屈折率を有している。 With the exception of a portion of the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor, the refractive index of the phosphor is usually greater than 1.5, so that the refraction of the base material of the coating 40 is increased in order to increase the phosphor extraction efficiency. The rate is desirably higher than 1.50. Examples of the resin material having a refractive index higher than 1.50 include epoxy resins, polycarbonate resins, styrene resins, diphenyldimethyl-based and phenylmethyl-based silicone resins, and the like. Epoxy resins, silicone resins, acrylic resins, polycarbonate resins, etc. can be refracted by adding high refractive index inorganic nanoparticles made of calcium oxide, cerium oxide, hafnium oxide, titanium oxide, zinc oxide, zirconium oxide, etc. It is known that the rate can be increased to about 1.8. The low-melting glass material usually has a refractive index higher than 1.50.

一方、ヘキサフルオロケイ酸塩、特に、ヘキサフルオロケイ酸カリウムを母体結晶とする、Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体の屈折率は、1.40未満である。よって、このような蛍光体に限っては、励起光が蛍光体の表面で強く反射されないように、ジメチルシリコーンをベースとする低屈折率型のシリコーン樹脂など、屈折率が1.45未満の透明材料中に分散させることが好ましい。一般的にいって、屈折率が1.40未満のMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を、1.50より高い屈折率を有する他の蛍光体と同時に用いる場合には、コーティング40内に、Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体を分散させる層と、他の蛍光体を分散させる層とを別個に設けるとともに、Mn4+付活フッ化物錯体蛍光体を分散させる層のベース材料の屈折率を、他の蛍光体を分散させる層のベース材料の屈折率よりも低くすることが望ましい。 On the other hand, the refractive index of the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor having a base crystal of hexafluorosilicate, particularly potassium hexafluorosilicate, is less than 1.40. Therefore, for such a phosphor, a transparent material having a refractive index of less than 1.45, such as a low refractive index type silicone resin based on dimethyl silicone, so that excitation light is not strongly reflected on the surface of the phosphor. It is preferable to disperse in the material. Generally speaking, if a Mn 4+ activated fluoride complex phosphor having a refractive index of less than 1.40 is used simultaneously with other phosphors having a refractive index higher than 1.50, A layer for dispersing the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor and a layer for dispersing other phosphors are separately provided, and the refractive index of the base material of the layer for dispersing the Mn 4+ activated fluoride complex phosphor is set. The refractive index of the base material of the layer in which the other phosphor is dispersed is desirably lower.

コーティング40の内部には、必要に応じて、光拡散剤を分散させてもよい。コーティング40のベース材料の種類に応じて、有機ポリマー(アクリル樹脂、ポリエチレンなど)、金属酸化物(酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなど)、炭酸カルシウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどからなる、公知の光拡散剤を適宜選択して使用することができる。光拡散剤の粒径は、好ましくは1μm〜20μm、より好ましくは2μm〜10μmである。   A light diffusing agent may be dispersed inside the coating 40 as necessary. Depending on the type of base material of coating 40, organic polymer (acrylic resin, polyethylene, etc.), metal oxide (titanium oxide, aluminum oxide, silicon dioxide, zinc oxide, magnesium oxide, etc.), calcium carbonate, barium titanate, sulfuric acid A known light diffusing agent comprising barium, magnesium hydroxide, calcium hydroxide or the like can be appropriately selected and used. The particle size of the light diffusing agent is preferably 1 μm to 20 μm, more preferably 2 μm to 10 μm.

ただし、光拡散剤は半導体発光素子の光の取出効率を低下させるので、必要以上の量を添加しないようにする。
コーティング40に添加された青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体は、InGaN系LEDチップ20の放射光を吸収し、それぞれ、青色光、緑色光および橙色光を放出する。緑色蛍光体の励起には、青色蛍光体が放出する光が寄与する場合がある。また、橙色蛍光体の励起には、青色蛍光体または緑色蛍光体が放出する光が寄与する場合がある。
However, since the light diffusing agent lowers the light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device, it should not be added more than necessary.
The blue phosphor, green phosphor and orange phosphor added to the coating 40 absorb the emitted light of the InGaN-based LED chip 20 and emit blue light, green light and orange light, respectively. The light emitted from the blue phosphor may contribute to the excitation of the green phosphor. In addition, light emitted from the blue phosphor or the green phosphor may contribute to the excitation of the orange phosphor.

コーティング40に蛍光体粉末を高過ぎる密度で添加した場合、キャビティの底近くに位置する蛍光体粒子からの放射が、コーティング40の表面近くに位置する蛍光体粒子により遮蔽される結果、蛍光体の取出効率が低下するという問題が生じる。この問題を防止するには、InGaN系LEDチップ20の放射光の一部が蛍光体による波長変換を受けることなくコーティング40の外側に放出される程度に、蛍光体粉末を疎に分散させることが好ましい。そうした場合であっても、白色発光装置1では、LEDチップ20の放射光が、視感度の低い波長の光であるために、LEDチップと蛍光体の放射パターンが異なることに起因する空間的な色調の不均一性が、顕著に現れない。   When phosphor powder is added to coating 40 at a density that is too high, radiation from phosphor particles located near the bottom of the cavity is shielded by phosphor particles located near the surface of coating 40, resulting in phosphor There arises a problem that the extraction efficiency is lowered. In order to prevent this problem, it is possible to disperse the phosphor powder loosely so that a part of the emitted light of the InGaN-based LED chip 20 is emitted outside the coating 40 without undergoing wavelength conversion by the phosphor. preferable. Even in such a case, in the white light emitting device 1, since the emitted light of the LED chip 20 is light having a wavelength with low visibility, the spatial pattern caused by the difference in the radiation pattern of the LED chip and the phosphor is different. Color unevenness does not appear remarkably.

以上、具体的な白色発光装置の構成例に即して本発明を説明したが、本発明は例示に係る発光装置の構造により限定されるものではない。
例えば、本発明の白色発光装置は、LEDチップのパッケージング形態により限定されるものではない。本発明の白色発光装置は、砲弾型LEDやチップ・オン・ボード型LEDであり得る。
As described above, the present invention has been described based on the specific configuration example of the white light emitting device, but the present invention is not limited to the structure of the illustrated light emitting device.
For example, the white light emitting device of the present invention is not limited by the packaging form of the LED chip. The white light emitting device of the present invention may be a bullet type LED or a chip-on-board type LED.

また、本発明の白色発光装置において、パッケージ当たりのLEDチップ実装個数は任意であり、例えば、1個であってもよいし、数十個であってもよい。
また、本発明の白色発光装置は、使用する蛍光体の形態により限定されるものではない。例えば、蛍光体相を含有する発光セラミック、電気泳動法またはエアロゾル・デボジション法により蛍光体粒子を堆積させて得られる蛍光体粒子層、単結晶蛍光体薄膜、その他各種形態の蛍光体を、本発明の白色発光装置に用いることが可能である。
また、本発明の白色発光装置は、半導体発光素子と蛍光体とを、レンズ、光ファイバ、導光板などの光学素子を介して結合したものであり得る。
また、本発明は、ZnO系半導体発光素子など、酸化物系の半導体発光素子を用いた白色発光装置にも好ましく適用することができる。
In the white light emitting device of the present invention, the number of LED chips mounted per package is arbitrary, and may be one or several tens, for example.
The white light emitting device of the present invention is not limited by the form of the phosphor used. For example, a phosphor ceramic containing a phosphor phase, a phosphor particle layer obtained by depositing phosphor particles by electrophoresis or aerosol deposition, a single crystal phosphor thin film, and other various forms of phosphors are disclosed in the present invention. It can be used for the white light emitting device.
In addition, the white light emitting device of the present invention may be a device in which a semiconductor light emitting element and a phosphor are coupled via an optical element such as a lens, an optical fiber, or a light guide plate.
The present invention can also be preferably applied to a white light emitting device using an oxide semiconductor light emitting element such as a ZnO semiconductor light emitting element.

[実験例]
(実験例1)
サファイア基板を用いて形成された350μm角、主発光ピーク波長407nmのInGaN系LEDチップ1個を、シリコーン樹脂ベースの透明ダイボンドペーストを用いて、3528SMD型PPA樹脂パッケージのキャビティ底面上に接着した。接着後、150℃、2時間の加熱によりダイボンドペーストを硬化させたうえで、直径25μmのAu線を用いてLEDチップ側の電極とパッケージ側の電極とを接続した。
[Experimental example]
(Experimental example 1)
One InGaN-based LED chip having a 350 μm square and a main emission peak wavelength of 407 nm formed using a sapphire substrate was bonded onto the cavity bottom surface of a 3528 SMD type PPA resin package using a silicone resin-based transparent die bond paste. After bonding, the die bond paste was cured by heating at 150 ° C. for 2 hours, and then the LED chip-side electrode and the package-side electrode were connected using an Au wire having a diameter of 25 μm.

次に、シリコーン樹脂を主成分とする透明なバインダと、Eu付活ハロリン酸塩系青色蛍光体であるSr10(POCl:Eu(略称:SCA)と、Eu付活アルカリ土類ケイ酸塩系緑色蛍光体である(Ba,Sr)SiO:Eu(略称:BSS)と、Eu付活アルカリ土類ケイ酸塩系橙色蛍光体であるSrBaSiO:Eu(略称:SBS)とを、表4に示す配合量で混合し、蛍光体ペーストを作製した。なお、表4には、
各蛍光体について粉末の状態で測定した発光ピーク波長と色度(CIE色度座標値)も併せて示す。
Next, a transparent binder mainly composed of a silicone resin, Eu-activated halophosphate-based blue phosphor Sr 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu (abbreviation: SCA), Eu-activated alkaline earth (Ba, Sr) 2 SiO 4 : Eu (abbreviation: BSS) which is a silicate-based green phosphor and Sr 2 BaSiO 5 : Eu (abbreviation) which is an Eu-activated alkaline earth silicate-based orange phosphor. : SBS) were mixed in the amounts shown in Table 4 to prepare a phosphor paste. In Table 4,
The emission peak wavelength and chromaticity (CIE chromaticity coordinate value) measured in the powder state for each phosphor are also shown.

Figure 2011014697
Figure 2011014697

次に、上記で得た蛍光体ペーストを、前記のInGaN系LEDチップを実装したSMD型樹脂パッケージのキャビティ内に注入した。注入した重量は0.003gであった。その後、110℃、1時間の予備加熱を行ったうえ、150℃、2時間の加熱を行い、蛍光体ペーストを硬化させることにより、白色LEDを得た。
上記手順により得た白色LEDに20mAの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のCIE色度座標値は(x,y)=(0.266,0.232)であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。光束は3.3[lm]であり、発光効率は49.8[lm/W]であった。発光スペクトルは図3に示す通りであり、515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は575nmであった。また、570nm〜600nmの範囲内におけるスペクトル強度は、この範囲内のいずれの波長においても、波長575nmにおけるスペクトル強度の89%以上であった(この波長範囲内においてスペクトル強度が最小となる波長が600nmであり、その波長600nmにおけるスペクトル強度は波長575nmにおけるスペクトル強度の89%であった)。
Next, the phosphor paste obtained above was injected into the cavity of the SMD type resin package on which the InGaN-based LED chip was mounted. The injected weight was 0.003 g. Then, after preheating at 110 degreeC for 1 hour, 150 degreeC was heated for 2 hours, and white LED was obtained by hardening a fluorescent substance paste.
The light emission characteristics when a current of 20 mA was applied to the white LED obtained by the above procedure were examined. The CIE chromaticity coordinate value of light emission was (x, y) = (0.266, 0.232), which was a value included in the white light region on the chromaticity diagram. The luminous flux was 3.3 [lm], and the luminous efficiency was 49.8 [lm / W]. The emission spectrum is as shown in FIG. 3, and the wavelength at which the spectrum intensity is maximum in the region longer than 515 nm is 575 nm. Further, the spectral intensity within the range of 570 nm to 600 nm was 89% or more of the spectral intensity at the wavelength of 575 nm at any wavelength within this range (the wavelength at which the spectral intensity is minimum within this wavelength range is 600 nm). The spectral intensity at a wavelength of 600 nm was 89% of the spectral intensity at a wavelength of 575 nm).

(比較実験例)
橙色蛍光体に代えて赤色蛍光体であるCaAlSiN:Eu(略称:CASN)を用いたこと、および、バインダおよび各蛍光体を表5に示す配合量で混合したことを除き、実験例1と同様にして白色LEDを作製した。この白色LEDに20mAの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のCIE色度座標値は(x,y)=(0.242,0.222)であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。光束は2.8[lm]であり、発光効率は42.2[lm/W]であった。発光スペクトルは図4に示すとおりであり、515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は528nmであった。また、570nm〜600nmの範囲のスペクトル強度について見ると、略全範囲(574nm〜600nm)において波長528nmにおけるスペクトル強度の半分を下回っていた。
(Comparative experiment example)
Except that the red phosphor CaAlSiN 3 : Eu (abbreviation: CASN) was used instead of the orange phosphor, and that the binder and each phosphor were mixed in the blending amounts shown in Table 5 and Experimental Example 1 Similarly, white LED was produced. The light emission characteristics when a current of 20 mA was applied to the white LED were examined. The CIE chromaticity coordinate value of light emission is (x, y) = (0.242, 0.222), which is a value included in the white light region on the chromaticity diagram. The luminous flux was 2.8 [lm], and the luminous efficiency was 42.2 [lm / W]. The emission spectrum is as shown in FIG. 4, and the wavelength at which the spectral intensity is maximum in the region longer than 515 nm is 528 nm. Further, looking at the spectral intensity in the range of 570 nm to 600 nm, it was less than half of the spectral intensity at the wavelength of 528 nm in almost the entire range (574 nm to 600 nm).

Figure 2011014697
Figure 2011014697

(実験例2)
サファイア基板を用いて形成された350μm角、主発光ピーク波長408nmのInGaN系LEDチップ12個を、SMD型パッケージのキャビティ底面に形成された電極上に、Auバンプを用いてフリップチップ実装した。実装された12個のLEDチップは並列に接続された。
(Experimental example 2)
Twelve InGaN LED chips having a 350 μm square and a main emission peak wavelength of 408 nm formed using a sapphire substrate were flip-chip mounted using Au bumps on the electrodes formed on the cavity bottom surface of the SMD type package. The 12 LED chips mounted were connected in parallel.

次に、シリコーン樹脂を主成分とする透明なバインダと、Eu付活アルミン酸塩系青色蛍光体であるBaMgAl1017:Eu(略称:BAM)と、Eu付活アルカリ土類ケイ酸塩系緑色蛍光体である(Ba,Sr)SiO:Eu(略称:BSS)と、Eu付活アルカリ土類ケイ酸塩系橙色蛍光体であるSrBaSiO:Eu(略称:SBS)とを、表6に示す配合量で混合し、蛍光体ペーストを作製した。なお、表6には、各蛍光体について粉末の状態で測定した発光ピーク波長と色度(CIE色度座標値)も併せて示す。 Next, a transparent binder mainly composed of a silicone resin, BaMgAl 10 O 17 : Eu (abbreviation: BAM) which is an Eu-activated aluminate-based blue phosphor, and Eu-activated alkaline earth silicate system (Ba, Sr) 2 SiO 4 : Eu (abbreviation: BSS) that is a green phosphor and Sr 2 BaSiO 5 : Eu (abbreviation: SBS) that is an Eu-activated alkaline earth silicate-based orange phosphor. The phosphor paste was prepared by mixing in the blending amounts shown in Table 6. Table 6 also shows the emission peak wavelength and chromaticity (CIE chromaticity coordinate value) measured in the powder state for each phosphor.

Figure 2011014697
Figure 2011014697

次に、上記で得た蛍光体ペーストを、前記のInGaN系LEDチップを実装したSMD型パッケージのキャビティ内に注入した。その後、110℃、1時間の予備加熱を行ったうえ、150℃、2時間の加熱を行い、蛍光体ペーストを硬化させることにより、白色LEDを得た。
上記手順により得た白色LEDに240mAの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のCIE色度座標値は(x,y)=(0.344,0.380)であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。相関色温度は5155[K]であり、平均演色評価数Raは83であった。また、光束は62[lm]であり、発光効率は76[lm/W]であった。発光スペクトルは図5に示すとおりであり、515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は581nmであった。また、570nm〜600nmの範囲内におけるスペクトル強度は、この範囲内のいずれの波長においても、波長581nmにおけるスペクトル強度の91%以上であった(この範囲内においてスペクトル強度が最小となる波長が600nmであり、その波長600nmにおけるスペクトル強度は波長581nmにおけるスペクトル強度の91%であった)。
Next, the phosphor paste obtained above was injected into the cavity of the SMD type package on which the InGaN-based LED chip was mounted. Then, after preheating at 110 degreeC for 1 hour, 150 degreeC was heated for 2 hours, and white LED was obtained by hardening a fluorescent substance paste.
The light emission characteristics when a current of 240 mA was applied to the white LED obtained by the above procedure were examined. The CIE chromaticity coordinate value of light emission was (x, y) = (0.344, 0.380), and was a value included in the white light region on the chromaticity diagram. The correlated color temperature was 5155 [K], and the average color rendering index Ra was 83. The luminous flux was 62 [lm], and the luminous efficiency was 76 [lm / W]. The emission spectrum is as shown in FIG. 5, and the wavelength at which the spectrum intensity is maximum in the region longer than 515 nm is 581 nm. Further, the spectral intensity within the range of 570 nm to 600 nm was 91% or more of the spectral intensity at the wavelength of 581 nm at any wavelength within this range (the wavelength at which the spectral intensity is minimum within this range is 600 nm). The spectral intensity at a wavelength of 600 nm was 91% of the spectral intensity at a wavelength of 581 nm).

1 白色発光装置
10 パッケージ
11 絶縁基板
12 パッケージ電極
13 リフレクタ
20 InGaN系LEDチップ
21 結晶基板
22 窒化物半導体膜
23a、24a 透明電極
23b、24b ボンディングパッド
25 反射膜
30 ボンディングワイヤ
40 コーティング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 White light-emitting device 10 Package 11 Insulating substrate 12 Package electrode 13 Reflector 20 InGaN-type LED chip 21 Crystal substrate 22 Nitride semiconductor film 23a, 24a Transparent electrode 23b, 24b Bonding pad 25 Reflective film 30 Bonding wire 40 Coating

Claims (12)

主発光ピーク波長を400nm〜440nmに有する半導体発光素子の放射光を用いて青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を励起し、これらの蛍光体の放射光を主体として組成される下記(A)の白色光を、出力光とする白色発光装置。
(A)515nmより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長を535nm〜600nmの範囲に有し、かつ、570nm〜600nmの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が515nmより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上である、白色光。
A blue phosphor, a green phosphor and an orange phosphor are excited using the emitted light of a semiconductor light emitting device having a main emission peak wavelength in the range of 400 nm to 440 nm, and are composed mainly of the emitted light of these phosphors (A ) White light-emitting device that uses white light as output light.
(A) The wavelength having the maximum spectral intensity in the region on the longer wavelength side from 515 nm is in the range of 535 nm to 600 nm, and the spectral intensity at an arbitrary wavelength in the range of 570 nm to 600 nm is on the longer wavelength side than 515 nm. White light that is more than half of the maximum spectral intensity in the region.
上記白色光のスペクトル曲線上において、緑色蛍光体の放射光に由来するピークと橙色蛍光体の放射光に由来するピークの分離が観察されない、請求項1に記載の白色発光装置。   2. The white light emitting device according to claim 1, wherein a separation between a peak derived from the emitted light of the green phosphor and a peak derived from the emitted light of the orange phosphor is not observed on the spectrum curve of the white light. 上記白色光のスペクトル曲線が波長535nm〜600nmの範囲内で上に凸であり、かつ、650nmよりも長波長側におけるスペクトル強度が波長600nmにおけるスペクトル強度の半分未満である、請求項1または2に記載の発光装置。   The spectrum curve of the white light is convex upward within a wavelength range of 535 nm to 600 nm, and the spectral intensity on the longer wavelength side than 650 nm is less than half of the spectral intensity at a wavelength of 600 nm. The light-emitting device of description. 上記半導体発光素子の主発光ピーク波長が410nmより長波長である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の白色発光装置。   The white light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein a main light emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is longer than 410 nm. 上記半導体発光素子の主発光ピーク波長が420nmより長波長である、請求項4に記載の白色発光装置。   The white light emitting device according to claim 4, wherein a main light emission peak wavelength of the semiconductor light emitting element is longer than 420 nm. 上記半導体発光素子が量子井戸構造の活性層を備えたInGaN系発光素子である、請求項4または5に記載の白色発光装置。   The white light emitting device according to claim 4 or 5, wherein the semiconductor light emitting element is an InGaN-based light emitting element provided with an active layer having a quantum well structure. 更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、演色性を向上させた、請求項1〜6のいずれか1項に記載の白色発光装置。 Furthermore, it has a Mn 4+ activated fluoride complex phosphor that can be excited by the emitted light of the semiconductor light emitting device, and by adding red light emitted from the fluoride complex phosphor to the white light, color rendering properties The white light emitting device according to claim 1, wherein the white light emitting device is improved. 更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、色域(color gamut)を拡張させた、請求項1〜6のいずれか1項に記載の白色発光装置。 Furthermore, it has a Mn 4+ activated fluoride complex phosphor that can be excited by the emitted light of the semiconductor light emitting device, and by adding the red light emitted by the fluoride complex phosphor to the white light, The white light emitting device according to claim 1, wherein (color gamut) is expanded. 更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なMn4+付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、色温度を低くした、請求項1〜6のいずれか1項に記載の白色発光装置。 Furthermore, it has a Mn 4+ activated fluoride complex phosphor that can be excited by the emitted light of the semiconductor light-emitting element, and adds the red light emitted from the fluoride complex phosphor to the white light, whereby the color temperature The white light-emitting device of any one of Claims 1-6 which made low. 上記青色蛍光体がEu付活ハロリン酸塩蛍光体を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の白色発光装置。   The white light-emitting device according to claim 1, wherein the blue phosphor includes an Eu-activated halophosphate phosphor. 上記緑色蛍光体が、Eu付活アルカリ土類ケイ酸窒化物系蛍光体およびEu付活アルカリ土類ケイ酸塩系蛍光体から選ばれる1種以上の蛍光体を含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の白色発光装置。   The green phosphor includes at least one phosphor selected from an Eu-activated alkaline earth silicate nitride phosphor and an Eu-activated alkaline earth silicate phosphor. The white light-emitting device of any one of Claims. 上記橙色蛍光体が、Eu付活窒化物系蛍光体、Eu付活酸窒化物系蛍光体およびEu付活アルカリ土類ケイ酸塩系蛍光体から選ばれる1種以上の蛍光体を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の白色発光装置。   The orange phosphor includes one or more phosphors selected from Eu-activated nitride phosphors, Eu-activated oxynitride phosphors, and Eu-activated alkaline earth silicate phosphors. Item 12. The white light emitting device according to any one of Items 1 to 11.
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