JP2015119172A - 発光素子、発光装置、及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性を向上させることができ、かつ、小型化することができる発光素子及び発光装置を提供する。【解決手段】発光素子１０は、例えば、基板１１の一面に配設された半導体発光素子１２と、基板１１の他面に配設された蛍光体膜１３とを備えている。蛍光体膜１３は、例えば、基板１１の他面に、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体などのバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。【選択図】図１
Description
本発明は、蛍光体材料を用いた発光素子、発光装置、及びそれらの製造方法に関する。
蛍光体を用いた発光装置としては、例えば、蛍光体をエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂に分散させて配置したものが知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。しかし、この発光装置では、ＬＥＤの高出力化やＬＥＤの発熱に伴い、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂が劣化したり、変形、剥離したりして、高出力化を図ることが難しいという問題があった。その解決策として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂に代えて、例えば、ガラスに蛍光体を分散させた発光装置が開発されている（例えば、特許文献３から特許文献５参照）。この発光装置によれば、分散媒に無機材料を用いることにより構造的な耐熱性を向上させることができる。
しかしながら、一般的な低融点ガラスは、実質５００℃以上で加熱しなければ蛍光体を分散させることができる程度に軟化させることは難しい（引用文献４実施例参照）。例えば、鉛などの重金属を加えることで低融点化することはできるものの、それらの元素が許容される用途は環境や人体への影響の観点から現在では極めて少ない。そのため、蛍光体によっては、熱の影響により性能が劣化してしまう場合があるという問題があった。
また、ガラスに蛍光体を分散させる場合には、母材となるガラスの強度を維持するために蛍光体の充填率を高くすることができず、ＬＥＤの高輝度化に伴い、必要以上に励起光が透過してしまうという問題が生じていた。この透過を抑制するには、蛍光体を分散させたガラスの厚みを厚くしなければならない。その結果、発光装置の薄型化を図ることができず、また、ガラスの厚みが増すことで光透過性が低下してしまい、更に、放熱が阻害されてしまうなどの問題もあった。
本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、耐熱性を向上させることができ、かつ、小型化することができる発光素子及び発光装置を提供することを目的とする。
本発明の発光素子は、基板の一面に配設された半導体発光素子と、基板の他面に配設され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを備え、蛍光体膜は、前記基板の他面に、前記蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。
本発明の発光装置は、本発明の発光素子を備えたものである。
本発明の発光素子の製造方法及び発光装置の製造方法は、半導体発光素子が一面に形成された基板の他面に、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成するものである。
本発明の他の発光素子の製造方法及び発光装置の製造方法は、基板の一面に半導体発光素子を形成する半導体発光素子形成工程と、基板の他面に粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成するものである。
本発明によれば、蛍光体膜に、主として無機材料よりなるバインダを用いるようにしたので、半導体発光素子から発生する熱に対する耐熱性を向上させることができ、高出力化及び高輝度化を図ることができる。また、蛍光体膜は、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布して形成するようにしたので、蛍光体膜における蛍光体材料の充填率を高くすることができ、蛍光体膜の厚みを薄くすることができる。更に、基板の一面に半導体発光素子を形成し、基板の他面に蛍光体膜を形成するようにしたので、発光素子及び発光装置をより小型化することができると共に、蛍光体材料から発生した熱が半導体発光素子を介して放散され、放熱性を向上させることができる。加えて、蛍光体膜は、常温で反応又は５００℃以下の温度で熱処理することにより得られるので、低温で形成することができ、蛍光体材料の特性劣化を抑制することができる。
更にまた、蛍光体材料の一次粒子の平均粒径を１μｍ以上２０μｍ以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜の表面粗さを算術平均粗さＲａで１０μｍ以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜の膜厚分布を±１０％以内とするようにすれば、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
加えてまた、基板の他面に蛍光体膜を形成したのち、基板を切断し、チップ化するようにすれば、容易に本発明の発光素子及び発光装置を製造することができると共に、製造効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る発光素子１０の構成を表わすものである。この発光素子１０は、例えば、基板１１の一面に配設された半導体発光素子１２と、基板１１の他面に配設された蛍光体膜１３とを備えている。なお、図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、実際の寸法比率を表すものではない。
基板１１は、例えば、半導体発光素子１２が形成されたサファイアウェハ、ＧａＮウェハ、Ｓｉウェハにより構成することが好ましく、例えば４００ｎｍから８００ｎｍの波長域における光透過率が高くなるほど好ましい。また、基板１１は、例えば、サファイアを用いた場合には、光を散乱させるために半導体発光素子１２が形成された面の他面をすりガラス状、梨地状、又は、エンボス状に表面を荒らすようにしてもよい。基板１１の厚みは、例えば、サファイアウェハにおいて０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のものが一般的に用いられる。
なお、基板１１は、半導体発光素子１２を形成する際に用いた形成基板をそのまま用いてもよいが、形成基板とは別のものであってもよい。例えば、半導体発光素子１２を形成基板に形成したのち、形成基板を分離あるいは除去し、又は、形成基板の厚みを薄くして、半導体発光素子１２を形成基板とは別の基板１１に対して配設するようにしてもよい。
半導体発光素子１２は、例えば、発光層を含む複数の半導体層を積層した構造を有し、一対の電極１２Ａ，１２Ｂが配設されている。半導体発光素子１２は、例えば、ＬＥＤであり、励起光として紫外光、青色光、又は緑色光を発するように構成されることが好ましい。中でも、半導体発光素子１２としては、青色光を発するものが好ましい。容易に白色を得ることができると共に、紫外光は周囲の部材を劣化させる等の影響があるのに対して、青色光はそのような影響が小さいからである。この半導体発光素子１２は、例えば、基板１１の側が発光面となるように構成されていることが好ましい。
蛍光体膜１３は、例えば、基板１１の他面に直接配設されている。蛍光体膜１３は、例えば、粒子状の蛍光体材料と、この蛍光体材料を接着するバインダとを含んでおり、必要に応じて、フィラーを含んでいてもよい。また、蛍光体膜１３は、基板１１の他面に、蛍光体材料と、バインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより形成されたものである。塗布の方法としては、例えば、印刷法、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、又はインクジェット法が挙げられる。中でも好ましいのは、印刷法又はスプレー法であり、より好ましいのは印刷法である。
蛍光体材料は、例えば、蛍光体粒子を含んでおり、蛍光体粒子の表面に被覆層が形成されていてもよい。蛍光体粒子は、例えば、半導体発光素子１２から発光された励起光により蛍光を発するものであり、半導体発光素子１２の種類等に応じて選択される。蛍光体材料には、１種または２種以上の蛍光体粒子が用いられ、複数種を用いる場合には、混合して用いてもよく、また、複数層に分けて積層するようにしてもよい。
蛍光体粒子としては、例えば、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＢａＡｌ２Ｓ４：ＥｕあるいはＣａＭｇＳｉ２Ｏ６：Ｅｕなどの青色系蛍光体、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｍ１)２ＳｉＯ４：Ｅｕ、（Ｍ１）（Ｍ２）２Ｓ：Ｅｕ、(Ｍ３)３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、ＣａＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、（Ｍ１)Ｓｉ２Ｏ２Ｎ：Ｅｕあるいは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ，Ｍｎなどの黄色または緑色系蛍光体、(Ｍ１)３ＳｉＯ５：Ｅｕあるいは(Ｍ１)Ｓ：Ｅｕなどの黄色、橙色または赤色系蛍光体、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ，Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ１）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｍ１）ＡｌＳｉＮ３：ＥｕあるいはＹＰＶＯ４：Ｅｕなどの赤色系蛍光体が挙げられる。なお、上記化学式において、Ｍ１は、Ｂａ，Ｃａ，ＳｒおよびＭｇからなる群のうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ２は、ＧａおよびＡｌのうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ３は、Ｙ、Ｇｄ、ＬｕおよびＴｅからなる群のうち少なくとも１つが含まれる。
中でも、蛍光体膜１３の耐熱性を考慮すると、蛍光体粒子は、(Ｍ３)３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、ＣａＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、（Ｍ１)Ｓｉ２Ｏ２Ｎ：Ｅｕ、（Ｍ１）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、あるいは（Ｍ１）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕにより構成されることが好ましい。Ｍ１およびＭ３は上述した通りである。
蛍光体粒子の被覆層は、例えば、希土類酸化物，酸化ジルコニウム，酸化チタン，酸化亜鉛，酸化アルミニウム，イットリウム・アルミニウム・ガーネットなどのイットリウムとアルミニウムの複合酸化物，酸化マグネシウム，およびＭｇＡｌ２Ｏ４などのアルミニウムとマグネシウムの複合酸化物からなる群のうちの少なくとも１種の金属酸化物を主成分として含んでいることが好ましい。耐水性および耐紫外光などの特性を向上させることができるからである。中でも、希土類酸化物又は酸化ジルコニウムが好ましい。希土類酸化物としては、イットリウム，ガドリニウム，セリウムおよびランタンからなる群のうちの少なくとも１種の元素を含むものより好ましく、また、酸化ジルコニウムを用いれば更に好ましい。より高い効果を得ることができ、また、コストを抑制することができるからである。
蛍光体材料の一次粒子の平均粒径は、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましい。平均粒径を小さくすることにより、色むらを抑制して、均一化することができるからである。但し、小さくし過ぎると、蛍光体材料自体の光学特性が低下してしまう場合が多く、また、１μｍよりも小さい粒子は二次凝集し、微小化の効果が失われてしまうことが多いため、１μｍ以上とすることが好ましい。
バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料を、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより得られたものである。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが好ましく挙げられる。これらの酸化ケイ素前駆体は、常温あるいは熱処理における加水分解あるいは酸化により容易に二酸化ケイ素などの酸化ケイ素となり、バインダとして機能させることができるからである。なお、バインダとしては、酸化ケイ素前駆体が反応して完全に酸化ケイ素となっている必要はなく、未反応部分や不完全反応部分を含んでいてもよい。
また、ケイ酸化合物としては、例えば、ケイ酸ナトリウムが好ましく挙げられる。ケイ酸化合物は、脱水状態のものを用いても、水和物を用いてもよい。シリカ又はアモルファスシリカとしては、例えば、ナノサイズの超微粒子粉末を用い、例えば、一次粒子径としての平均粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の超微粒子粉末を用いることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の超微粒子粉末を用いればより好ましい。これらケイ酸化合物、シリカ、又は、アモルファスシリカは、溶媒に溶解又は分散させて熱処理、乾燥させることにより固形化し、バインダとして機能させることができる。
バインダ原料の熱処理温度は、基板１１、半導体発光素子１２、及び、蛍光体材料への熱的影響を小さくするために５００℃以下とすることが好ましく、熱的影響をより小さくする必要がある場合には３００℃以下とすればより好ましく、２００℃以下とすれば更に好ましい。また、バインダ原料を常温で反応させるようにすれば、熱的影響がないのでより好ましい。基板１１、半導体発光素子１２、及び、蛍光体材料の耐熱特性に応じて、バインダ原料の種類を選択し、それによりバインダ原料を常温で反応させるのか、又は、何度で熱処理するのかを調節することが好ましい。また、熱処理の際の雰囲気は、蛍光体材料が熱により酸化して劣化しやすい場合には、窒素雰囲気などの非酸化雰囲気とすることが好ましい。
フィラーは、例えば、蛍光体材料の充填率を調整するためのものであり、透光性を有する無機材料よりなるものが好ましく、酸化ケイ素粒子、酸化アルミニウム粒子、または、酸化ジルコニウム粒子などが挙げられる。より好ましくは酸化ケイ素粒子が好ましく、その形態は、結晶でもガラスでもよい。フィラーの平均粒子径は、例えば、蛍光体材料と同じ１μｍから２０μｍ程度が好ましい。
蛍光体膜１３の厚みは、例えば、１０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上５００μｍ以下であればより好ましい。薄すぎると蛍光体材料の量が少なくなり、色の調整が難しくなってしまい、厚すぎると光の散乱が増えすぎて光の吸収が顕著となり、外部に光が取り出しにくくなってしまうからである。蛍光体膜１３の表面粗さ、すなわち、蛍光体膜１３の基板１１と反対側の表面の表面粗さは、算術平均粗さＲａで１０μｍ以下とすることが好ましく、また、蛍光体膜１３の膜厚分布は、±１０％以内とすることが好ましい。色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができるからである。蛍光体膜１３の表面粗さ、又は、蛍光体膜１３の膜厚分布は、例えば、蛍光体膜１３を形成したのち、表面を研磨又は研削することにより調整するようにしてもよい。
この発光素子１０は、例えば、次のようにして製造することができる。図２は、この発光素子１０の製造工程の一例を表す流れ図である。まず、例えば、複数の発光素子１０を形成することができる大きさの基板１１を用意し、基板１１の一面に複数の半導体発光素子１２を形成する（ステップＳ１０１；半導体発光素子形成工程）。その際、半導体発光素子１２は、基板１１の一面に直接形成してもよく、また、基板１１とは別の形成基板の上に形成したのち、形成基板を分離あるいは除去し、又は、形成基板の厚みを薄くして、半導体発光素子１２を基板１１の一面に配設するようにしてもよい。
次いで、例えば、半導体発光素子１２を形成した基板１１の他面に、蛍光体膜１３を形成する（ステップＳ１０２；蛍光体膜形成工程）。具体的には、まず、基板１１の他面に、蛍光体材料と、バインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布する。例えば、印刷法を用いる場合であれば、１種又は２種以上の蛍光体材料と、バインダ原料と、希釈溶媒と、必要に応じてフィラーとを混合してペースト状の蛍光体膜原料とし、基板１１の他面に印刷法、例えば、スクリーン印刷により塗布する。スクリーン印刷により塗布するようにすれば、蛍光体膜１３の面内の膜厚分布の均一性を高くすることができるので好ましい。また、例えば、スプレー法を用いる場合であれば、１種又は２種以上の蛍光体材料と、バインダ原料と、希釈溶媒と、必要に応じてフィラーとを混合してスラリー状の蛍光体膜原料とし、基板１１の他面にスプレーガンを用いて噴霧ガスと共に塗布する。スプレーの噴霧径を調節し、スプレーガンを一定の速度でトラバースさせながら均一に移動させることにより、蛍光体膜１３の面内の膜厚分布の均一性を高くすることができるので好ましい。塗布は、必要な膜厚となるまで繰り返し行ってもよい。
なお、スプレー法は局所排気装置内で行うので、噴霧の際に蛍光体膜原料が排気されてしまい収率が悪いのに対して、スクリーン印刷法ではそのような問題がなく、蛍光体膜原料の利用効率を高くすることができるので好ましい。また、スクリーン印刷法は、基板側にマスキングをせずに、スクリーン側のマスクにより繰り返し同じパターニングをすることができ、更に、必要な個所にのみ塗布することができ、不必要な部分に付着することがなく、治具等への付着もないので、治具の連続使用が可能で、量産時の生産性を高めることができるので好ましい。
次いで、例えば、塗布した蛍光体膜原料を乾燥させて希釈溶媒を除去する。その際、必要に応じて５００℃以下、より好ましくは３００℃以下、更には２００℃以下の範囲で加熱してもよい。これにより、バインダ原料が常温あるいは熱処理により反応し、又は、熱処理により固形化する。なお、蛍光体膜１３は、基板１１の全面に形成してもよく、また、一面に配置した複数の半導体発光素子１２に対応してパターニングして形成してもよい。続いて、半導体発光素子１２及び蛍光体膜１３を配設した基板１１を、例えば、半導体発光素子１２毎に切断し、チップ化する（ステップＳ１０３；チップ化工程）。これにより発光素子１０が得られる。
なお、上述した発光素子１０の製造工程では、基板１１の一面に半導体発光素子１２を形成したのち、基板１１の他面に蛍光体膜１３を形成する場合について説明したが、基板１１の他面に蛍光体膜１３を形成したのちに、基板１１の一面に半導体発光素子１２を形成するようにしてもよい。
図３は、この蛍光素子１０を用いた発光装置２０の一構成例を表わすものである。この発光装置２０は、配線基板２１の上に発光素子１０が搭載されている。配線基板２１の上には、例えば、配線２１Ａ，２１Ｂが配設されている。発光素子１０は、例えば、半導体発光素子１２を配線基板２１の側とし、電極１２Ａ，１２Ｂと配線２１Ａ，２１Ｂとを対応させて、配線基板２１の上にバンプ２２Ａ，２２Ｂ等によりフリップチップ実装されている。発光素子１０の周りには例えばリフレクタ枠２３が形成されている。発光素子１０の周りは、封止剤を配設しなくてもよい。樹脂の封止剤で覆うと放熱性が低下してしまうからである。また、図示しないが、発光素子１０の側部に封止剤を配置し、配線基板２１上の配線を保護するようにしてもよい。更に、図示しないが、発光素子１０の上面も覆うように封止剤を配置してもよい。外部からの水分や有害なガスが直接触れることによる影響を軽減することができるからである。なお、この発光装置２０は、例えば、上述したようにして製造された発光素子１０を用いて製造することができる。
このように本実施の形態によれば、蛍光体膜１３に、主として無機材料よりなるバインダを用いるようにしたので、半導体発光素子１２から発生する熱に対する耐熱性を向上させることができ、高出力化及び高輝度化を図ることができる。また、蛍光体膜１３は、蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布して形成するようにしたので、蛍光体膜１３における蛍光体材料の充填率を高くすることができ、蛍光体膜１３の厚みを薄くすることができる。更に、基板１１の一面に半導体発光素子１２を形成し、基板１１の他面に蛍光体膜１３を形成するようにしたので、発光素子１０及び発光装置２０をより小型化することができると共に、蛍光体材料から発生した熱が半導体発光素子１２を介して放散され、放熱性を向上させることができる。加えて、蛍光体膜１３は、常温で反応又は５００℃以下の温度で熱処理することにより得られるので、低温で形成することができ、蛍光体材料の特性劣化を抑制することができる。
更にまた、蛍光体材料の一次粒子の平均粒径を１μｍ以上２０μｍ以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜１３の表面粗さを算術平均粗さＲａで１０μｍ以下とするようにすれば、又は、蛍光体膜１３の膜厚分布を±１０％以内とするようにすれば、色むらを抑制し、均一化して、性能を安定化させることができる。
加えてまた、基板１１の他面に蛍光体膜１３を形成したのち、基板１１を切断し、チップ化するようにすれば、容易に本実施の形態の発光素子１０及び発光装置２０を製造することができると共に、製造効率を向上させることができる。
（実施例１−１〜１−４）
まず、半導体発光素子１２を一面に形成した基板１１を用意した。半導体発光素子１２には、窒化物系半導体よりなる青色ＬＥＤを用い、基板１１には、厚みが０．６ｍｍのサファイア基板を用いた。
まず、半導体発光素子１２を一面に形成した基板１１を用意した。半導体発光素子１２には、窒化物系半導体よりなる青色ＬＥＤを用い、基板１１には、厚みが０．６ｍｍのサファイア基板を用いた。
次いで、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、蛍光体膜原料を作製した。蛍光体材料としては、一次粒子の平均粒子径がそれぞれ１５μｍ程度のＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅよりなる蛍光体粒子とＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕよりなる蛍光体粒子とを用いた。バインダ原料としては、実施例１−１ではエチルシリケート、実施例１−２ではペルヒドロポリシラザン、実施例１−３ではケイ酸ナトリウムの水和物、又は、実施例１−４ではシリカあるいはアモルファスシリカの超微粒子粉末を溶剤で懸濁化したものをそれぞれ用いた。フィラーとしては、平均粒子径が１５μｍ程度の二酸化ケイ素粒子を用いた。希釈溶媒としては、テルピネオールを用いた。
続いて、基板１１の他面に、作製した蛍光体膜原料を印刷し、必要な厚みとなるように塗布した。そののち、１５０℃で乾燥させることにより、希釈溶媒を除去した。これにより、各実施例について、基板１１の他面に、厚みが約８０μｍの蛍光体膜１３が形成された白色を発光する発光素子１０を得た。作製した蛍光体膜１３の表面粗さを測定したところ、算術平均粗さＲａは１０μｍ以下であった。蛍光体膜１３の膜厚分布についても測定したところ、±１０％以内であった。また、作製した各実施例の発光素子１０について、通電を行い、発光試験を行った結果、いずれについても良好な白色の発光が得られた。
（実施例２−１〜２−３３，比較例２−１〜２−４）
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、場合により希釈溶媒と、場合によりフィラーとを混合し、蛍光体膜原料を作製した。各実施例及び各比較例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径（粒径）・添加量、フィラーの材質・平均粒子径（粒径）・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表１〜４に示す。なお、蛍光体材料としては、蛍光体材料Ａと蛍光体材料Ｂの両方、又は、どちらか一方を用いた。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、場合により希釈溶媒と、場合によりフィラーとを混合し、蛍光体膜原料を作製した。各実施例及び各比較例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径（粒径）・添加量、フィラーの材質・平均粒子径（粒径）・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表１〜４に示す。なお、蛍光体材料としては、蛍光体材料Ａと蛍光体材料Ｂの両方、又は、どちらか一方を用いた。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。
次に、１００ｍｍ角のサファイア板よりなる基板１１の他面に、作製した蛍光体膜原料を塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜１３を形成したのち、基板１１の一面に半導体発光素子１２を形成し、発光素子１０を得た。各実施例及び各比較例における蛍光体膜原料の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜１３の平均膜厚、蛍光体膜１３の膜厚分布、及び、蛍光体膜１３の算術平均粗さＲａを表２，４に示す。表２，４に記載した塗布法の印刷というのは、具体的には、スクリーン印刷である。
なお、蛍光体膜１３の膜厚の測定は、事前に基板１１の厚みを測定しておき、蛍光体膜１３を形成した後の厚みを測定して、その差を膜厚とした。平均膜厚は、１００ｍｍ角の基板１１について、縦５列、横５行の計２５点を測定し、その膜厚の平均値を平均膜厚とした。また、蛍光体膜１３の膜厚分布は次の計算式により算出した。なお、最大膜厚は測定した２５点の膜厚のうちの最大値であり、最小膜厚は測定した２５点の膜厚のうちの最小値である。
膜厚分布（％）＝｛（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）｝×１００
蛍光体膜１３の算術平均粗さＲａは、触針式表面粗さ測定器により測定した。
膜厚分布（％）＝｛（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）｝×１００
蛍光体膜１３の算術平均粗さＲａは、触針式表面粗さ測定器により測定した。
表１，２に示したように、蛍光体粒子及びフィラーの平均粒子径を２０μｍ以下とした実施例２−１〜２−３３によれば、蛍光体膜１３の膜厚分布を±１０％以内、算術平均粗さＲａを１０μｍ以下とすることができた。
各実施例及び各比較例で作製した蛍光体膜１３について、初期特性として初期の発光輝度を調べた。また、高温高湿試験として、８５℃、８５％ＲＨの高温高湿度環境下における曝露試験を行い、２０００時間経過後の発光輝度の低下率を調べた。更に、乾燥高温試験として、１５０℃又は２００℃の乾燥高温環境下における暴露試験を行い、２０００時間経過後の発光輝度の低下率を調べた。得られた結果を表５，６に示す。表５，６において、初期特性の発光輝度は実施例２−２７の発光輝度を１００とした場合の相対発光輝度である。高温高湿試験及び乾燥高温試験における発光輝度の低下率は、各実施例及び各比較例における初期特性の発光輝度からの低下率である。
また、得られた結果のうち実施例２−１及び比較例２−１の結果を図４〜６に示す。図４は、８５℃、８５％ＲＨの高温高湿度環境下における曝露試験の結果であり、図５は、１５０℃の乾燥高温環境下における暴露試験の結果、図６は、２００℃の乾燥高温環境下における暴露試験の結果である。図４から図６において縦軸は、それぞれの初期輝度を１００とした場合の相対的な輝度値である。
更に、実施例２−１〜２−４及び比較例２−１の蛍光体膜１３を大気オーブンで加熱し、１００℃から５００℃までの乾燥高温環境曝露試験を行い、輝度の経時変化を調べた。また、２００℃を超える高温領域では蛍光体膜１３が破壊するなどの可能性があるため、目視での外観確認も同時に行った。各温度の曝露時間は２４時間とした。得られた結果のうち実施例２−１及び比較例２−１の結果を図７に示す。図７において縦軸は、それぞれの初期輝度を１００とした場合の相対的な輝度値である。なお、図示しないが、実施例２−２〜２−４についても、実施例２−１と同様の結果が得られた。
表５，６に示したように、本実施例によれば、初期特性としての相対発光輝度は８０％以上であったが、５５０℃以上で熱処理した比較例２−２〜２−４では、７０％以下と低かった。
また、表５，６及び図４〜６に示したように、シリコーン樹脂を用いた比較例２−１では、高温高湿試験における発光輝度低下率が１５％、１５０℃の高温乾燥試験における発光輝度低下率が１２％、２００℃の乾燥高温試験では１２００時間後には蛍光体膜が剥離し、１０００時間後における発光輝度低下率が３３％であった。これに対して、本実施例によれば、高温高湿試験、１５０℃の高温乾燥試験、及び、２００℃の乾燥高温試験のいずれにおいても、発光輝度低下率は７％以下と大幅に改善することができた。
更に、図７に示したように、シリコーン樹脂を用いた比較例２−１では、温度が高くなるにつれ輝度維持率が低下し、３００℃以上では熱による化学変化により蛍光体膜が粉々に剥離した。これに対して、実施例３−１〜３−４では、外観上の変化は無く、輝度維持率の低下も見られなかった。
加えて、表１，２，５に示したように、蛍光体粒子の平均粒子径が２０μｍよりも大きく、蛍光体膜１３の膜厚分布が±１０％よりも大きく、算術平均粗さＲａが１０μｍよりも大きかった実施例２−３４〜２−３６に比べて、蛍光体粒子及びフィラーの平均粒子径を２０μｍ以下とし、蛍光体膜１３の膜厚分布を±１０％以内、算術平均粗さＲａを１０μｍ以下とした実施例２−１〜２−３３によれば、初期特性としての相対発光輝度を高くすることができた。
（実施例３−１，３−２）
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、蛍光体膜原料を作製した。各実施例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径（粒径）・添加量、フィラーの材質・平均粒子径（粒径）・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表７，８に示す。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。次に、１００ｍｍ角のサファイア板よりなる基板１１の他面に、作製した蛍光体膜原料をスプレー法又はハケにより塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜１３を形成した。各実施例における蛍光体膜原料の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜１３の平均膜厚、蛍光体膜１３の膜厚分布、及び、蛍光体膜１３の算術平均粗さＲａを表８に示す。表８に記載した塗布法の印刷というのは、具体的には、スクリーン印刷である。なお、表７，８には、実施例２−１の値も合わせて示した。
まず、蛍光体材料と、バインダ原料と、フィラーと、希釈溶媒とを混合し、蛍光体膜原料を作製した。各実施例における蛍光体材料の蛍光体粒子の材質・蛍光体粒子の平均粒子径（粒径）・添加量、フィラーの材質・平均粒子径（粒径）・添加量、バインダ原料の材質・添加量を表７，８に示す。希釈溶媒としてはα-テルピネオールを用いた。次に、１００ｍｍ角のサファイア板よりなる基板１１の他面に、作製した蛍光体膜原料をスプレー法又はハケにより塗布し、熱処理又は室温で処理し、所定の厚さの蛍光体膜１３を形成した。各実施例における蛍光体膜原料の塗布法、熱処理温度、蛍光体膜１３の平均膜厚、蛍光体膜１３の膜厚分布、及び、蛍光体膜１３の算術平均粗さＲａを表８に示す。表８に記載した塗布法の印刷というのは、具体的には、スクリーン印刷である。なお、表７，８には、実施例２−１の値も合わせて示した。
表７，８に示したように、印刷法により塗布した実施例２−１比べて、スプレー法又はハケで塗布した実施例３−１，３−２では、蛍光体膜１３の膜厚分布及び算術平均粗さＲａが大きくなり、初期特性としての相対発光輝度が低下した。すなわち、蛍光体膜１３を印刷法により塗布するようにすれば、好ましいことが分かった。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、発光素子１０及び発光装置２０の構造について具体的に説明したが、他の構造を有するように構成してもよい。
また、上記実施の形態では、基板１１の他面に、１種又は２種以上の蛍光体材料を含む蛍光体膜１３を形成する場合について説明したが、２種の蛍光体材料を混合して用いるのではなく、基板１１の他面に、異なる蛍光体材料を含む蛍光体膜を積層して形成するようにしてもよい。
更に、上記実施の形態では、半導体発光素子１２として、ＬＥＤを用いる場合について説明したが、レーザー発光ダイオードなどの他の半導体発光素子を用いるようにしてもよい。特に、本発明によれば、高出力化を図ることができるので、高出力を必要とする用途、例えば、レーザープロジェクタ、ＬＥＤヘッドライト、又は、レーザーヘッドライトに好ましく用いることができる。
ＬＥＤやレーザー発光ダイオードなどの半導体発光素子を用いた発光素子及び発光装置に用いることができる。
１０…発光素子、１１…基板、１２…半導体発光素子、１２Ａ，１２Ｂ…電極、１３…蛍光体膜、２０…発光装置、２１…配線基板、２１Ａ，２１Ｂ…配線、２２Ａ，２２Ｂ…バンプ、２３…リフレクタ枠
Claims (11)
- 基板の一面に配設された半導体発光素子と、
前記基板の他面に配設され、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜とを備え、
前記蛍光体膜は、前記基板の他面に、前記蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより形成された
ことを特徴とする発光素子。 - 前記蛍光体材料の一次粒子の平均粒径は、１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１の発光素子。
- 前記蛍光体膜の表面粗さは、算術平均粗さＲａで１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発光素子。
- 前記蛍光体膜の膜厚分布は、±１０％以内であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１に記載の発光素子。
- 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の発光素子を備えたことを特徴とする発光装置。
- 半導体発光素子が一面に形成された基板の他面に、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、
前記蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成する
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 基板の一面に半導体発光素子を形成する半導体発光素子形成工程と、基板の他面に粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、
前記蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成する
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記蛍光体膜形成工程の後、基板を切断し、チップ化するチップ化工程を含むことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の発光素子の製造方法。
- 前記蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、蛍光体膜原料を印刷法又はスプレー塗布法により塗布することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１に記載の発光素子の製造方法。
- 半導体発光素子が一面に形成された基板の他面に、粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、
前記蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成する
ことを特徴とする発光装置の製造方法。 - 基板の一面に半導体発光素子を形成する半導体発光素子形成工程と、基板の他面に粒子状の蛍光体材料とバインダとを含む蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成工程を含み、
前記蛍光体膜形成工程では、基板の他面に、粒子状の蛍光体材料と、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、及び、アモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含むバインダ原料とを含む蛍光体膜原料を塗布し、常温で反応させるか、又は、５００℃以下の温度で熱処理することにより蛍光体膜を形成する
ことを特徴とする発光装置の製造方法。
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