JP2015081313A - 単結晶蛍光体及び発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来にない色の蛍光を発するＹＡＧ系の単結晶蛍光体、及びその単結晶蛍光体を備えた発光装置を提供する。
【解決手段】一実施の形態として、組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５）で表される組成を有し、励起光のピーク波長が４５０ｎｍ、温度が２５℃であるときの発光スペクトルのＣＩＥ色度座標ｘ、ｙが、−０．４３７７ｘ＋０．７３８４≦ｙ≦−０．４５８５ｘ＋０．７５０４の関係を満たす、単結晶蛍光体を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、単結晶蛍光体及び発光装置に関する。
従来、青色系の光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる発光素子と、この発光素子の光を受けて励起され、黄色系の光を発する蛍光体とを備え、これらの発光色の混合により白色光を放射する発光装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１に記載の発光装置においては、ＹＡＧ：Ｃｅ多結晶蛍光体セラミック板が黄色系の光を発する蛍光体として用いられている。
特許文献２に記載の発光装置においては、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（ＹＡＧ：Ｃｅ）系多結晶蛍光体粉末が黄色系の光を発する蛍光体として用いられている。
特開２０１０−２４２７８号公報 特許第３５０３１３９号公報
本発明の目的の１つは、従来にない色の蛍光を発するＹＡＧ系の単結晶蛍光体、及びその単結晶蛍光体を備えた発光装置を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［３］の単結晶蛍光体を提供する。
［１］組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５）で表される組成を有し、励起光のピーク波長が４５０ｎｍ、温度が２５℃であるときの発光スペクトルのＣＩＥ色度座標ｘ、ｙが、−０．４３７７ｘ＋０．７３８４≦ｙ≦−０．４５８５ｘ＋０．７５０４の関係を満たす、単結晶蛍光体。
［２］前記単結晶蛍光体の組成式におけるａの数値範囲が０．０２２２≦ａ≦０．９９９４である、前記［１］に記載の単結晶蛍光体。
［３］前記単結晶蛍光体の組成式におけるａの値が０である、前記［１］に記載の単結晶蛍光体。
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［４］の発光装置を提供する。
［４］青色系の光を発する発光素子と、前記発光素子の発する光を吸収して黄色系の蛍光を発する単結晶蛍光体と、前記発光素子の発する光を吸収して赤色系の蛍光を発する赤色蛍光体と、を有し、前記単結晶蛍光体は、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の単結晶蛍光体である、発光装置。
本発明の一態様によれば、従来にない色の蛍光を発するＹＡＧ系の単結晶蛍光体、及びその単結晶蛍光体を備えた発光装置を提供することができる。
図１は、評価に用いた第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体の組成分布を表すグラフである。 図２は、評価に用いた第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体のＣＩＥ（ｘ，ｙ）色度分布を表すグラフである。 図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。図３（ｂ）は、発光装置に含まれる発光素子及びその周辺部の拡大図である。 図４は、単結晶蛍光体の発する光（蛍光）のＣＩＥ色度と、発光素子の発する光と単結晶蛍光体の発する光を混合した光のＣＩＥ色度を示す色度図である。 図５は、発光素子、単結晶蛍光体、及び赤色蛍光体の組み合わせにより発せられる混合光のＣＩＥ色度を示す色度図である。 図６は、シミュレーションに用いた発光素子、単結晶蛍光体、赤色蛍光体の発光スペクトルを示す。これらの発光スペクトルを基本スペクトルと呼ぶ。 図７（ａ）は、第３の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。図７（ｂ）は、発光装置に含まれる発光素子及びその周辺部の拡大図である。図７（ｃ）は、発光素子の上面図である。 図８は、第４の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。 図９は、第５の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。 図１０は、第６の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。
［第１の実施の形態］
〔単結晶蛍光体〕
第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体は、Ｃｅで付活されるＹＡＧ系単結晶蛍光体であり、（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５）で表される組成を有する。ここで、Ｃｅは、Ｙサイトに置換され、付活剤として機能する（発光中心となる）。一方、Ｌｕは、Ｙサイトに置換されるが、付活剤としては機能しない。
なお、上記の蛍光体の組成のうち、一部の原子は結晶構造上の異なる位置を占めることがある。また、上記の組成式における組成比のＯの値は１２と記述されるが、上記の組成は、不可避的に混入または欠損する酸素の存在により組成比のＯの値が僅かに１２からずれた組成も含む。また、組成式におけるｃの値は、単結晶蛍光体の製造上、不可避的に変化する値であるが、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５程度の数値範囲内での変化は、単結晶蛍光体の物性にほとんど影響を及ぼさない。
第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体は、例えば、ＣＺ法（Czochralski Method）、ＥＦＧ法（Edge Defined Film Fed Growth Method）、ブリッジマン法、ＦＺ法（Floating Zone Method）、ベルヌーイ法等の液相成長法によって得ることができる。これらの液相成長法により得られた単結晶蛍光体のインゴットを切断して平板状に加工したり、粉砕して粉末状に加工したりすることにより、後述する発光装置に用いることができる。
Ｃｅの濃度を表す上記組成式におけるｂの数値の範囲が０．０００２≦ｂ≦０．００６７であるのは、ｂの数値が０．０００２よりも小さい場合は、Ｃｅ濃度が低すぎるために、励起光の吸収が小さくなり、外部量子効率が小さくなりすぎるという問題が生じ、０．００６７よりも大きい場合は、単結晶蛍光体のインゴットを育成する際にクラックやボイド等が生じ、結晶品質が低下する可能性が高くなるためである。
〔単結晶蛍光体の製造〕
本実施の形態の単結晶蛍光体の製造方法の一例として、ＣＺ法による製造方法について以下に述べる。
まず、出発原料として、高純度（９９．９９％以上）のＹ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３の粉末を用意し、乾式混合を行い、混合粉末を得る。なお、Ｙ、Ｌｕ、Ｃｅ、及びＡｌの原料粉末は、上記のものに限られない。また、Ｌｕを含まない単結晶蛍光体を製造する場合は、その原料粉末は用いない。
次に、得られた混合粉末をイリジウム製のルツボ内に入れ、ルツボをセラミックス製の筒状容器に収容する。そして、筒状容器の周囲に巻回される高周波コイルにより３０ｋＷの高周波エネルギーをルツボに供給して誘導電流を生じさせ、ルツボを加熱する。それにより、混合粉末を溶融させて融液を得る。
次に、ＹＡＧ単結晶である種結晶を用意して、その先端を融液に接触させた後、１０ｒｐｍの回転数で回転させながら１ｍｍ／ｈ以下の引き上げ速度で引き上げ、１９６０℃以上の引き上げ温度で＜１１１＞方向に単結晶蛍光体インゴットを育成する。この単結晶蛍光体インゴットの育成は、筒状容器内に毎分２Ｌの流量で窒素を流し込み、大気圧下、窒素雰囲気中で行われる。
こうして、例えば、直径約２．５ｃｍ、長さ約５ｃｍの単結晶蛍光体インゴットが得られる。得られた単結晶蛍光体インゴットを所望の大きさに切り出すことにより、例えば、発光装置に用いる平板状の単結晶蛍光体を得ることができる。また、単結晶蛍光体インゴットを粉砕することにより、粒子状の単結晶蛍光体を得ることができる。
〔単結晶蛍光体の評価〕
組成の異なる複数の第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体を製造し、組成の分析、ＣＩＥ色度と内部量子効率の評価を行った。
組成分析は、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法により行った。また、Ｃｅ濃度が極めて小さい単結晶蛍光体に対しては、ＩＣＰ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を併用した。
ＣＩＥ色度座標の評価においては、ＣＩＥ１９３１等色関数を用いて、励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときの単結晶蛍光体の発光スペクトルのＣＩＥ色度座標を求めた。
内部量子効率の評価は、積分半球ユニットを備えた量子効率測定システムを用いて行った。以下に、単結晶蛍光体の内部量子効率の具体的な測定方法について述べる。
まず、積分半球ユニット内に設置した標準試料としての硫酸バリウム粉末に励起光を照射し、励起光スペクトルを測定する。次に、積分半球ユニット内の硫酸バリウム上に設置した単結晶蛍光体に励起光を照射して、励起反射光スペクトル及び蛍光発光スペクトルを測定する。次に、積分半球ユニット内で拡散反射させた励起光を硫酸バリウム上に設置した単結晶蛍光体に照射し、再励起蛍光発光スペクトルを測定する。
そして、蛍光発光スペクトルから求められる光量子数と再励起蛍光発光スペクトルから求められる光量子数との差を、励起光スペクトルから求められる光量子数と励起反射光スペクトルから求められる光量子数との差で除すことにより、内部量子効率を求める。
次の表１に、蛍光の波長及びＣＩＥ色度についての評価の結果を示す。表１の試料番号１〜３３の試料は、本実施の形態の単結晶蛍光体の試料であり、試料番号３４〜３６の試料は、比較例としての、Ｃｅにより付活されたＹＡＧ系多結晶蛍光体粉末の試料である。表１は、本実施の形態に係る単結晶蛍光体の組成式におけるａ、ｂ、ｃの値、励起光のピーク波長が４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６０ｎｍであるときの蛍光のピーク波長λｐ（ｎｍ）、及び励起光のピーク波長が４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４６０ｎｍであるときのＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）を示す。
Figure 2015081313
表１に示されるように、評価に用いた単結晶蛍光体の組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２のａ、ｂ、ｃの数値範囲は、それぞれ０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５である。
このうち、Ｌｕを含む単結晶蛍光体は、組成式におけるａの数値範囲が０．０２２２≦ａ≦０．９９９４であり、Ｌｕを含まない単結晶蛍光体は、組成式におけるａの値がａ＝０である。
Ｌｕを含む単結晶蛍光体は、Ｌｕを含まない単結晶蛍光体と比較して蛍光色が緑に近いため、赤色蛍光体と組み合わせることにより青色光源を用いて演色性の高い白色光を作り出すことができる。逆に、Ｌｕを含まない単結晶蛍光体は、赤色蛍光体と組み合わせることなく青色光源を用いて色温度の高い白色光を作り出すことができる。
また、一般に、Ｌｕを含む単結晶蛍光体は、Ｌｕを含まない単結晶蛍光体と比較して温度特性に優れるという傾向がある。一方、Ｌｕは高価なため、単結晶蛍光体にＬｕを添加することにより、製造コストが増加する。
また、表１によれば、評価に用いた単結晶蛍光体の組成式におけるａ、ｂの数値範囲がそれぞれ０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７である場合、励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときの蛍光のＣＩＥ色度座標ｘ、ｙの数値範囲がそれぞれ０．３２９≦ｘ≦０．４３４、０．５５１≦ｙ≦０．６００である。
図１は、評価に用いた第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体の組成分布を表すグラフである。図１の横軸は単結晶蛍光体の組成式におけるａ（Ｌｕ濃度）を表し、縦軸は組成式におけるｂ（Ｃｅ濃度）を表す。
図２は、評価に用いた第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体のＣＩＥ（ｘ，ｙ）色度分布を表すグラフである。図２の横軸は励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときのＣＩＥ色度の座標ｘを表し、縦軸は座標ｙを表す。
図２中の直線ｙ＝−０．４３７７ｘ＋０．７４４４は、最小二乗法により求めた、ピーク波長が４５０ｎｍであるときのＣＩＥ色度座標の近似直線である。また、この近似直線の上側の点線は、ｙ＝−０．４５８５ｘ＋０．７５０４で表される直線であり、下側の点線は、ｙ＝−０．４３７７ｘ＋０．７３８４で表される直線である。
図２に示されるように、組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５）で表される組成を有する単結晶蛍光体においては、励起光のピーク波長が４５０ｎｍ、温度が２５℃であるときの発光スペクトルのＣＩＥ色度座標ｘ、ｙが、−０．４３７７ｘ＋０．７３８４≦ｙ≦−０．４５８５ｘ＋０．７５０４の関係を満たす。
次の表２に、内部量子効率についての評価の結果を示す。表２は、本実施の形態に係る単結晶蛍光体の組成式におけるａ、ｂ、ｃの値、励起光のピーク波長が４４０、４５０、４６０ｎｍであるときの２５℃における内部量子効率（ηｉｎｔ）を示す。
Figure 2015081313
表２によれば、本実施の形態に係る単結晶蛍光体は、高い内部量子効率を有する。例えば、評価された全ての単結晶蛍光体の試料の、温度が２５℃、励起光のピーク波長が４５０ｎｍであるときの内部量子効率は、０．９１以上である。
なお、評価された単結晶蛍光体の試料の形状については、試料番号１５、１９の試料が直径１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの円形の板であり、試料番号３３の試料が粉末であり、それ以外の試料が一辺の長さが１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの正方形の板である。また、粉末状の試料を除く全ての試料は、両面が鏡面研磨されたものである。
蛍光のピーク波長λｐ（ｎｍ）、ＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）、及び内部量子効率の測定値は、試料の形状の影響をほとんど受けない。
〔多結晶蛍光体との比較〕
Ｃｅにより付活されたＹＡＧ系単結晶蛍光体とＹＡＧ系多結晶蛍光体粉末とでは、Ｃｅの濃度と発光色の関係が大きく異なる。例えば、特許文献（特開２０１０−２４２７８号公報）には、組成式（Ｙ１−ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２で表される組成を有する多結晶蛍光体粉末では０．００３≦ｚ≦０．２のＣｅ濃度範囲で一定の色度（０．４１，０．５６）の光を発することが記載されている。一方、本実施の形態の単結晶蛍光体では、Ｃｅ濃度に依存して色度が変化し、例えば、上記特許文献の多結晶蛍光体粉末と同じ色度（０．４１，０．５６）の光を発するための組成は（Ｙ１−ｚＣｅｚ）３Ａｌ５Ｏ１２（ｚ＝０．０００５）である。
また、特許文献（特許第３５０３１３９号公報）には、組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３Ａｌ５Ｏ１２で表される組成を有する多結晶蛍光体粉末が、ａ＝０．９９、ｂ＝０．０１のときには発光色度が（０．３３９，０．５７９）となり、ａ＝０．４９５、ｂ＝０．０１のときには発光色度が（０．３７７，０．５７０）となることが記載されている。この多結晶蛍光体粉末に含まれるＣｅの濃度も、本実施の形態の単結晶蛍光体に含まれるＣｅの濃度と比較して桁違いに高い。
このように、単結晶蛍光体においては、所望の色の光を発するために添加されるＣｅの濃度が、多結晶蛍光体と比較して極めて少なく、高価なＣｅの使用量を低減することができる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体を有する発光装置についての形態である。
〔発光装置の構成〕
図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る発光装置１０の垂直断面図である。図３（ｂ）は、発光装置１０に含まれる発光素子１００及びその周辺部の拡大図である。
発光装置１０は、表面に配線１２ａ、１２ｂを有する基板１１と、基板１１上に搭載される発光素子１００と、発光素子１００上に設けられた単結晶蛍光体１３と、発光素子１００を囲む環状の側壁１４と、発光素子１００及び単結晶蛍光体１３を封止する封止材１５と、を有する。
基板１１は、例えば、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスからなる。基板１１の表面には、配線１２ａ、１２ｂがパターン形成されている。配線１２ａ、１２ｂは、例えば、タングステン等の金属からなる。
発光素子１００は、フリップチップ型のＬＥＤチップであり、青色系の光を発する。発光素子１００の発光ピーク波長は、発光素子１００の内部量子効率の観点から、４３０〜４８０ｎｍの範囲にあることが好ましく、さらに、単結晶蛍光体１３の内部量子効率の観点から、４４０〜４７０ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
この発光素子１００においては、サファイア等からなる素子基板１０１の第１の主面１０１ａ上に、ｎ型不純物が添加されたＧａＮ等からなるｎ型半導体層１０２、発光層１０３、及びｐ型不純物が添加されたＧａＮ等からなるｐ型半導体層１０４がこの順に積層されている。ｎ型半導体層１０２の露出部分にはｎ側電極１０５ａが、ｐ型半導体層１０４の表面にはｐ側電極１０５ｂが、それぞれ形成されている。
発光層１０３は、ｎ型半導体層１０２及びｐ型半導体層１０４からキャリアが注入されることにより、青色系の光を発する。発光層１０３から発せられた光は、ｎ型半導体層１０２及び素子基板１０１を透過して、素子基板１０１の第２の主面１０１ｂから出射される。すなわち、素子基板１０１の第２の主面１０１ｂは発光素子１００の光出射面である。
素子基板１０１の第２の主面１０１ｂ上には、第２の主面１０１ｂの全体を覆うように、単結晶蛍光体１３が配置されている。
単結晶蛍光体１３は、第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体からなる平板状の単結晶蛍光体である。単結晶蛍光体１３は１つの単結晶からなるため、粒界を含まない。単結晶蛍光体１３は、第２の主面１０１ｂと同等もしくはそれ以上の面積を有する。単結晶蛍光体１３は、発光素子１００の発する光を吸収して黄色系の蛍光を発する。
また、単結晶蛍光体１３は素子基板１０１の第２の主面１０１ｂ上に他の部材を介することなく直接設置されており、単結晶蛍光体１３の素子基板１０１側の面である第１の面１３ａが素子基板１０１の第２の主面１０１ｂに接触している。単結晶蛍光体１３と素子基板１０１とは、例えば、分子間力によって接合されている。
発光素子１００のｎ側電極１０５ａとｐ側電極１０５ｂは、それぞれ導電性のバンプ１０６を介して配線１２ａ、１２ｂに電気的に接続されている。
側壁１４は、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等の樹脂からなり、二酸化チタン等の光反射粒子を含んでもよい。
封止材１５は、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等の透光性を有する樹脂からなる。封止材１５は、発光素子１００の発する光を吸収して赤色系の蛍光を発する赤色蛍光体の粒子を含んでもよい。赤色蛍光体の発光ピーク波長は、明るさ及び演色性の観点から、６００〜６６０ｎｍの範囲にあることが好ましく、６３５〜６５５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。波長が小さすぎると、単結晶蛍光体１３の発光波長と近くなるため、演色性が低下する。一方、波長が大きすぎると、視感度の低下の影響が大きくなる。
〔発光装置の動作〕
発光素子１００に通電すると、配線１２ａ、ｎ側電極１０５ａ、及びｎ型半導体層１０２を介して電子が発光層１０３に注入され、また、配線１２ｂ、ｐ側電極１０５ｂ、及びｐ型半導体層１０４を介して正孔が発光層１０３に注入されて、発光層１０３が発光する。
発光層１０３から発せられた青色系の光は、ｎ型半導体層１０２及び素子基板１０１を透過して素子基板１０１の第２の主面１０１ｂから出射され、単結晶蛍光体１３の第１の面１３ａに入射する。
単結晶蛍光体１３は、発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、黄色系の蛍光を発する。
発光素子１００から発せられて単結晶蛍光体１３へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体１３に吸収されて波長変換され、黄色系の光として単結晶蛍光体１３の第２の面１３ｂから出射される。また、発光素子１００から発せられて単結晶蛍光体１３へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体１３に吸収されずに第２の面１３ｂから出射される。青色と黄色は補色関係にあるので、発光装置１０は、青色光と黄色光とを混合した白色光を放射する。
また、封止材１５が赤色蛍光体を含む場合は、赤色蛍光体が発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、赤色系の蛍光を発する。この場合、発光装置１０は、青色光、黄色光、及び赤色光を混合した白色光を放射する。赤色光を混ぜることにより、白色光の演色性を高めることができる。
図４は、単結晶蛍光体１３の発する光（蛍光）のＣＩＥ色度と、発光素子１００の発する光と単結晶蛍光体１３の発する光を混合した光のＣＩＥ色度を示す色度図である。図４中の並んだ８つの四角形の枠は、色度規格（ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７）で規定された色温度２７００〜６５００Ｋの色度範囲である。
図４中の曲線Ｌ１は、単結晶蛍光体１３のＣｅ濃度と発光色度の関係を表す。曲線Ｌ１上のマーク“◇”は、左側から順に、単結晶蛍光体１３の組成式におけるｂ（Ｃｅ濃度）の数値が０．０００２、０．０００５、０．００１０、０．００１４であるときの、単結晶蛍光体１３の発光色度の実測値である。
図４中の曲線Ｌ２は、単結晶蛍光体１３のＣｅ濃度と、発光素子１００と単結晶蛍光体１３の組み合わせにより発せられる混合光の色度の関係を表す。曲線Ｌ２上のマーク“●”は、下側から順に、単結晶蛍光体１３の組成式におけるｂの数値が０．０００２、０．０００５、０．００１０、０．００１４であるときの、発光素子１００と単結晶蛍光体１３の組み合わせにより発せられる混合光の色度の実測値である。
これらの実測値は、単結晶蛍光体１３の組成（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２において、ａを０に固定し、ｂを変化させて、単結晶蛍光体１３の蛍光スペクトル及び発光素子１００の発光と単結晶蛍光体１３の蛍光の合成スペクトルを測定することにより得られた。
なお、この測定に用いた発光素子１００の発光波長は４５０ｎｍである。また、単結晶蛍光体１３は厚さ０．３ｍｍの平板状の単結晶蛍光体である。
曲線Ｌ１、Ｌ２が示すように、Ｃｅは単結晶蛍光体１３の付活剤として機能するため、単結晶蛍光体１３中のＣｅ濃度が高くなる（ｂが大きくなる）ほど、発光素子１００と単結晶蛍光体１３の組み合わせにより発せられる混合光の色度が単結晶蛍光体１３の蛍光の色度に近づく。なお、ｂ＝０であるときは単結晶蛍光体１３が蛍光を発しないため、発光素子１００単体の発光色度と等しくなる。
ここで、平板状の単結晶蛍光体１３の厚さの下限値は、０．１５ｍｍである。機械的強度の観点から、単結晶蛍光体１３の厚さは０．１５ｍｍ以上に設定される。
なお、Ｌｕは付活剤としては機能しないため、単結晶蛍光体１３の組成式におけるａの値を変化させても曲線Ｌ２方向の色度の変化はほぼ生じない。また、同様に、発光素子１００の発光波長を変化させても曲線Ｌ２方向の色度の変化はほぼ生じない。
図５は、発光素子１００、単結晶蛍光体１３、及び赤色蛍光体の組み合わせにより発せられる混合光のＣＩＥ色度を示す色度図である。
図５中の曲線Ｌ２は、図４中の曲線Ｌ２と等しい。点Ｒは、赤色蛍光体の蛍光の色度（０．６５４，０．３４５）を表す。また、並んだ８つの四角形の枠は、色度規格（ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７）で規定された色温度２７００〜６５００Ｋの色度範囲である。
直線Ｌ３は、点Ｒと色温度２７００Ｋの枠の下端を通る直線であり、直線Ｌ４は、点Ｒと色温度６５００Ｋの枠の上端を通る直線である。そして、点Ｙ１は、曲線Ｌ２と直線Ｌ３との交点であり、点Ｙ２は、曲線Ｌ２と直線Ｌ４との交点である。
図５において、まず、発光素子１００と単結晶蛍光体１３を組み合わせたときの発光の色度座標が直線Ｌ２上の点Ｙ１と点Ｙ２の間に位置するように、単結晶蛍光体のＣｅ濃度や厚さを調整する。次に、赤色蛍光体の量（封止材１５中に分散させる場合は、封止材１５中の濃度）を調整することで、色温度２７００〜６５００Ｋの白色光をつくることができる。
この時、単結晶蛍光体１３と赤色蛍光体とで、それぞれの蛍光の吸収も生じるため、赤色蛍光体の調整量に対して、発光素子１００と単結晶蛍光体１３との合成色度は、色度Ｒとの間で直線的な変化とはならないものの、概ね上記の方法で目的の色温度の白色光をつくることができる。
なお、Ｌｕは付活剤としては機能しないため、単結晶蛍光体１３の組成式におけるａの値を変化させても曲線Ｌ２方向の色度の変化はほぼ生じない。そのため、単結晶蛍光体１３がＬｕを含む場合は、Ｌｕ濃度に応じて、発光素子１００及び単結晶蛍光体１３と組み合わせて用いる赤色蛍光体の量を調節することにより、色温度２７００〜６５００Ｋの白色光をつくることができる。
また、同様に、発光素子１００の発光波長又は赤色蛍光体の発光波長を変化させても曲線Ｌ２方向の色度の変化はほぼ生じず、少なくとも発光素子１００の発光ピーク波長が４３０〜４８０ｎｍの範囲にあり、赤色蛍光体の発光ピーク波長が６００〜６６０ｎｍの範囲にある場合には、赤色蛍光体の量を調節することにより、同様の方法により、色温度２７００〜６５００Ｋの白色光をつくることができる。
次に、本実施の形態に係る発光装置１０の発する光が演色性に優れることをシミュレーションにより示す。ここで、一例として、発光装置１０が色温度３０００Ｋの光を発する場合の演色性について述べる。
図６は、シミュレーションに用いた発光素子１００、単結晶蛍光体１３、赤色蛍光体の発光スペクトルを示す。これらの発光スペクトルを基本スペクトルと呼ぶ。
発光素子１００、単結晶蛍光体１３、赤色蛍光体の基本スペクトルのピーク波長は、およそ４５０ｎｍ（青色）、５３５ｎｍ（黄色）、６４０ｎｍ（赤色）である。また、単結晶蛍光体１３の基本スペクトルは、組成が（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（ａ＝０、ｂ＝０、ａ＝０）である単結晶蛍光体１３の発光スペクトルである。
まず、発光装置１０の発光スペクトルが発光素子１００、単結晶蛍光体１３、赤色蛍光体の発光スペクトルの合成スペクトルで近似できるとして、最小二乗法により、発光素子１００、単結晶蛍光体１３、赤色蛍光体の基本スペクトルを色温度３０００Ｋに対応する色度を有するスペクトルにフィッティングし、各基本スペクトルの線形結合係数を決定した。
そして、フィッティングにより得られた合成スペクトルから、平均演色指数Ｒａを計算した。これにより、発光スペクトルが基本スペクトルである発光素子１００、単結晶蛍光体１３、赤色蛍光体を用いて色温度３０００Ｋの光を発する発光装置１０を形成した場合の平均演色指数Ｒａが求まる。
続いて、以上のシミュレーションを発光素子１００及び単結晶蛍光体１３の基本スペクトルの波長をシフトさせながら（赤色蛍光体の基本スペクトルは固定）繰り返し、発光素子１００及び単結晶蛍光体１３の波長を変化させたときの平均演色指数Ｒａを求めた。ここで、発光素子１００の波長は、基本スペクトルの波長から−２０〜＋３０ｎｍの範囲で５ｎｍ刻みに変化させた。また、単結晶蛍光体１３の波長は、基本スペクトルの波長から−４５〜＋４５ｎｍの範囲で５ｎｍ刻みに変化させた。その結果を以下の表３に示す。
Figure 2015081313
表３は、発光素子１００及び単結晶蛍光体１３の波長を適宜調整することにより、９０以上、さらには９５以上の高い平均演色指数Ｒａが得られることを示している。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、発光素子がフェイスアップ型のＬＥＤチップである点において、第２の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
〔発光装置の構成〕
図７（ａ）は、第３の実施の形態に係る発光装置２０の垂直断面図である。図７（ｂ）は、発光装置２０に含まれる発光素子２００及びその周辺部の拡大図である。図７（ｃ）は、発光素子２００の上面図である。
発光装置２０は、表面に配線１２ａ、１２ｂを有する基板１１と、基板１１上に搭載される発光素子発光素子２００と、発光素子２００上に設けられた単結晶蛍光体２１と、発光素子２００を囲む環状の側壁１４と、発光素子２００及び単結晶蛍光体２１を封止する封止材１５と、を有する。
発光素子１００は、フェイスアップ型のＬＥＤチップであり、３８０〜４９０ｎｍの波長に光量のピークを有する青色系の光を発光する。この発光素子２００においては、サファイア等からなる素子基板２０１上に、ｎ型不純物が添加されたＧａＮ等からなるｎ型半導体層２０２、発光層２０３、及びｐ型不純物が添加されたＧａＮ等からなるｐ型半導体層２０４、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等からなる透明電極２０７がこの順に積層されている。ｎ型半導体層１０２の露出部分にはｎ側電極２０５ａが、透明電極２０７の上面２０７ｂ上にはｐ側電極２０５ｂが、それぞれ形成されている。
発光層２０３は、ｎ型半導体層２０２及びｐ型半導体層２０４からキャリアが注入されることにより、青色系の光を発する。発光層２０３から発せられた光は、ｐ型半導体層２０４及び透明電極２０７を透過して、透明電極２０７の上面２０７ｂから出射される。すなわち、透明電極２０７の上面２０７ｂは発光素子２００の光出射面である。
透明電極２０７の上面２０７ｂ上に、ｎ側電極２０５ａ及びｐ側電極２０５ｂの設置位置に対応する部分に切り欠きを有する略四角形状の単結晶蛍光体２１が配置されている。
単結晶蛍光体２１は、第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体からなる平板状の単結晶蛍光体である。単結晶蛍光体２１は１つの単結晶からなるため、粒界を含まない。
また、単結晶蛍光体２１は透明電極２０７の上面２０７ｂ上に他の部材を介することなく直接設置されており、単結晶蛍光体２１の透明電極２０７側の面である第１の面２１ａが透明電極２０７の上面２０７ｂに接触している。
発光素子２００のｎ側電極２０５ａとｐ側電極２０５ｂは、ボンディングワイヤ２０６を介して配線１２ａと配線１２ｂにそれぞれ接続されている。
〔発光装置の動作〕
発光素子２００に通電すると、配線１２ａ、ｎ側電極２０５ａ、及びｎ型半導体層２０２を介して電子が発光層２０３に注入され、また配線１２ｂ、ｐ側電極２０５ｂ、透明電極２０７、及びｐ型半導体層２０４を介して正孔が発光層２０３に注入されて、発光層２０３が発光する。
発光層２０３から発せられた青色系の光は、ｐ型半導体層２０４及び透明電極２０７を透過して透明電極２０７の上面２０７ｂから出射され、蛍光体２１の第１の面２１ａに入射する。
単結晶蛍光体２１は、発光素子２００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、黄色系の蛍光を発する。
発光素子２００から発せられて単結晶蛍光体２１へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体２１に吸収されて波長変換され、黄色系の光として単結晶蛍光体２１の第２の面２１ｂから出射される。また、発光素子２００から発せられて単結晶蛍光体２１へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体２１に吸収されずに第２の面２１ｂから出射される。青色と黄色は補色関係にあるので、発光装置２０は、青色光と黄色光とを混合した白色光を放射する。
また、封止材１５が赤色蛍光体を含む場合は、赤色蛍光体が発光素子２００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、赤色系の蛍光を発する。この場合、発光装置２０は、青色光、黄色光、及び赤色光を混合した白色光を放射する。赤色光を混ぜることにより、白色光の演色性を高めることができる。
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、単結晶蛍光体の設置位置において、第２の実施の形態と異なる。なお、第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
図８は、第４の実施の形態に係る発光装置３０の垂直断面図である。発光装置３０は、表面に配線１２ａ、１２ｂを有する基板１１と、基板１１上に搭載される発光素子発光素子１００と、発光素子１００の上方に設けられた単結晶蛍光体３１と、発光素子１００を囲む環状の側壁１４と、発光素子１００及び単結晶蛍光体２１を封止する封止材１５と、を有する。
単結晶蛍光体３１は、第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体からなる平板状の単結晶蛍光体である。単結晶蛍光体３１は１つの単結晶からなるため、粒界を含まない。
単結晶蛍光体３１は、側壁１４の上面１４ｂ上に、環状の側壁１４の開口部を塞ぐように設置されている。発光素子１００の素子基板１０１の第２の主面１０１ｂから出射された光は、単結晶蛍光体３１の第１の面３１ａに入射する。
単結晶蛍光体３１は、発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、黄色系の蛍光を発する。
発光素子１００から発せられて単結晶蛍光体３１へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体３１に吸収されて波長変換され、黄色系の光として単結晶蛍光体３１の第２の面３１ｂから出射される。また、発光素子１００から発せられて単結晶蛍光体３１へ向かう青色系の光のうちの一部は単結晶蛍光体３１に吸収されずに第２の面３１ｂから出射される。青色と黄色は補色関係にあるので、発光装置３０は、青色光と黄色光とを混合した白色光を放射する。
また、封止材１５が赤色蛍光体を含む場合は、赤色蛍光体が発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、赤色系の蛍光を発する。この場合、発光装置３０は、青色光、黄色光、及び赤色光を混合した白色光を放射する。赤色光を混ぜることにより、白色光の演色性を高めることができる。なお、発光装置３０が赤色蛍光体を含まない場合は、発光装置３０は封止材１５を有さなくてもよい。
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について、図９を参照して説明する。図９は、第５の実施の形態に係る発光装置４０の垂直断面図である。図９に示すように、本実施の形態では、蛍光体の状態及びその配置が第２の実施の形態とは異なっている。以下、第２の実施の形態と同一の機能及び構成を有する発光装置４０の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
図９に示すように、発光装置４０は、ＬＥＤ等の発光素子である発光素子１００と、発光素子１００を支持する基板１１と、白色の樹脂からなる側壁１４と、発光素子１００を封止する封止材１５とを有する。
封止材１５中には、粒状の単結晶蛍光体４１が分散している。蛍光体４１は、第１の実施の形態に係る単結晶蛍光体からなり、例えば、第１の実施の形態において製造された単結晶蛍光体インゴットを粉砕することにより得られる。
封止材１５中に分散した単結晶蛍光体４１は、発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、例えば、５１４〜５４６ｎｍの波長に発光ピークを有する黄色系の蛍光を発する。単結晶蛍光体４１に吸収されなかった青色系の光と、単結晶蛍光体４１から発せられた黄色系の蛍光が混合し、白色の光が発光装置４０から発せられる。
なお、本実施の形態の単結晶蛍光体４１は、他の実施の形態に適用されてもよい。すなわち、本実施の形態の単結晶蛍光体４１を、第３の実施の形態の単結晶蛍光体２１の代わりに用いてもよい。
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第６の実施の形態に係る発光装置５０の垂直断面図である。図１０に示すように、本実施の形態では、粒子状の単結晶蛍光体を含む封止材の形状が第５の実施の形態とは異なっている。以下、第５の実施の形態と同一の機能及び構成を有する発光装置５０の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
図１１に示すように、発光装置５０は、ＬＥＤ等の発光素子である発光素子１００と、発光素子１００を支持する基板１１と、発光素子１００の表面及び基板１１の上面を覆うように設けられた封止材５２とを有する。
封止材５２中には、粒子状の単結晶蛍光体５１が分散している。単結晶蛍光体５１は、第１の実施の形態の単結晶蛍光体からなり、例えば、第１の実施の形態において製造された単結晶蛍光体インゴットを粉砕することにより得られる。
封止材５２は、例えば、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の透明樹脂、またはガラス等の透明無機材料である。なお、本実施の形態の封止材５２は、塗布法等を用いる製造工程上、発光素子１００の表面上だけでなく基板１１上にも形成される場合があるが、基板１１上には形成されなくてもよい。
封止材５２中に分散した単結晶蛍光体５１は、発光素子１００から発せられた青色系の光の一部を吸収し、例えば、５１４〜５４６ｎｍの波長に発光ピークを有する黄色系の蛍光を発する。単結晶蛍光体５１に吸収されなかった青色系の光と、単結晶蛍光体５１から発せられた黄色系の蛍光が混合し、白色の光が発光装置５０から発せられる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
また、上記実施の形態は、エネルギー効率が高く、省エネルギーを実現することのできるＬＥＤ発光装置等の発光装置、又はその発光装置に用いられる単結晶蛍光体であるため、省エネルギー効果を有する。
１０、２０、３０、４０、５０…発光装置、 １３、２１、３１、４１、５１…単結晶蛍光体、 １００、２００…発光素子

Claims (4)

  1. 組成式（Ｙ１−ａ−ｂＬｕａＣｅｂ）３＋ｃＡｌ５−ｃＯ１２（０≦ａ≦０．９９９４、０．０００２≦ｂ≦０．００６７、−０．０１６≦ｃ≦０．３１５）で表される組成を有し、
    励起光のピーク波長が４５０ｎｍ、温度が２５℃であるときの発光スペクトルのＣＩＥ色度座標ｘ、ｙが、−０．４３７７ｘ＋０．７３８４≦ｙ≦−０．４５８５ｘ＋０．７５０４の関係を満たす、単結晶蛍光体。
  2. 前記単結晶蛍光体の組成式におけるａの数値範囲が０．０２２２≦ａ≦０．９９９４である、
    請求項１に記載の単結晶蛍光体。
  3. 前記単結晶蛍光体の組成式におけるａの値が０である、
    請求項１に記載の単結晶蛍光体。
  4. 青色系の光を発する発光素子と、
    前記発光素子の発する光を吸収して黄色系の蛍光を発する単結晶蛍光体と、
    前記発光素子の発する光を吸収して赤色系の蛍光を発する赤色蛍光体と、
    を有し、
    前記単結晶蛍光体は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶蛍光体である、発光装置。
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