JP2015213174A - 複数の蛍光体を備えるポンプｌｅｄシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光の再吸収を低減し、光出力効率の向上した負数の蛍光体を備えるポンプＬＥＤシステムを提供する。
【解決手段】ポンプＬＥＤ源は、基板または支持部材上に配置される。ポンプＬＥＤ源は、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｎの波長で発光する。ポンプＬＥＤ源は、このＬＥＤ源からの放射光を吸収する蛍光体材料の混合物中に配置される。蛍光体材料は、ポンプＬＥＤによって励起され、青色光、緑色光および赤色光を発光する。蛍光体混合物は、蛍光体からの放射の組み合わせによって白色光を放つように、調整される。蛍光体材料混合物は、実質的に透明な封入材内に配置される。この封入材は、ポンプＬＥＤ源および蛍光体の発光光の両方を実質的に透過する。
【選択図】図４

Description

本出願は、米国仮特許出願第６１／３７５，０９７号（出願日：２０１０年８月１９日）および米国仮特許出願第６１／５０２，２１２号（出願日：２０１１年６月２８日）に対する優先権を主張する。本明細書中、同文献双方を全ての目的のために援用する。
本発明は、照明システムに関し、より詳細には、複数の蛍光体に光をポンプする発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
ソリッドステート照明が公知である。ソリッドステート照明は、例えば発光ダイオードのように、半導体材料に依存して発光する。赤色ＬＥＤが公知であり、特にアルミニウムインジウムガリウムリン化物、すなわちＡｌＩｎＧａＰ半導体材料が利用されている。最近では、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａにより、青色発光ＬＥＤを製造するためのＩｎＧａＮ材料の使用が開発された。この青色ＬＥＤをきっかけにして、ソリッドステート白色照明および青色レーザダイオードなどの革新に繋がった。
ＩｎＧａＮ材料系に基づいた高出力ＵＶ、青色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤが提案および実証されている。効率については、ＵＶ−紫色において最高であることが多く、青色または緑色へと発光波長が増加するのと共に低下する。残念なことに、高出力かつ高効率のＩｎＧａＮ緑色ＬＥＤの達成において、問題が発生している。その上、ＩｎＧａＮＬＥＤの場合、製造を大規模かつ高効率に行うには、高コストおよび困難が伴っている。このように、ソリッドステート照明技術においては一定の成功は出ているものの、その可能性をさらに活用するためには改善が不可欠となっている。
本発明は、選択された波長の光を放つポンプＬＥＤと複数の蛍光体を提供する。多様な実施形態において、紫色波長および／または紫外線波長で発光するＬＥＤを用いて、異なる周波数の光を放つ蛍光体材料をポンプする。前記ポンプＬＥＤは、通常動作下におけるピーク発光波長が約４０５〜４３０ｎｍである点により、特徴付けられる。前記ポンプＬＥＤは、少なくとも、約４０５ｎｍを超える波長で強い吸収を示す青色蛍光体と共に用いられる。特定の実施形態において、異なる波長範囲で動作するＬＥＤを組み合わせて配置構成することにより、放射再吸収の低減および光出力効率の向上を可能にする。
本発明によって提供される光学素子は、基材と、当該基材の一部分上に設けられた少なくとも１つの発光ダイオードとを含む。前記ＬＥＤは、表面領域を有するガリウムおよび窒素含有基板と、当該表面領域上に形成されたガリウムおよび窒素含有バッファー層とを含む。活性領域は、ピーク波長約４０５ｎｍ〜約４３０ｎｍの電磁波を放射する。前記ＬＥＤは、接合領域に電流を供給するための電気接点を含む。前記素子は、３つの蛍光体材料をバインダー材料に混合してなる混合物をさらに含む。当該混合物は、前記ＬＥＤの近傍に配置され、前記ＬＥＤから照射された電磁波と相互作用し、これにより、前記電磁波を約４４０〜６５０ナノメートルの波長範囲の電磁波に変換する。別の実施形態において、前記素子は、前記ＬＥＤの近傍に設けられ、約４０５ｎｍを超える波長で強い吸光を示す青色蛍光体材料を含む。前記活性領域は、約１００℃〜約１５０℃の動作温度範囲内において、約７０％の内部量子効率、および少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度を維持しつつ、ピーク波長約４０５〜４３０ナノメートルの電磁波を放射するように構成される。
様々な波長におけるＬＥＤの効率特性を示す。
ＬＥＤの発光波長に応じた青色蛍光体の吸光度、および対応する白色ＬＥＤの出力を示す。
約４０５〜４３０ｎｍでピーク発光するＬＥＤが青色蛍光体、赤色蛍光体および緑色蛍光体をポンプすることを示す。
４５０ｎｍ（左）および４２０ｎｍ（右）で発光する多量子井戸ＬＥＤ中に分散するキャリアを示す。
アレイ状に構成されたポンプＬＥＤを示す。
アレイ状に構成されたポンプＬＥＤと、画素化された蛍光体組成物とを示す。
発光波長の異なる２種類のポンプＬＥＤで、アレイを構成した状態を示す。
本発明の実施形態における、紫色ポンプ・２つの蛍光体による白色ＬＥＤの簡略化された発光スペクトルである。
本発明は、照明システムと、複数の蛍光体を用いたＬＥＤポンプ光とに関する。紫色波長および／または紫外線波長において発光するＬＥＤを用いて、異なる色を発光する蛍光体材料をポンプする。好適には、通常動作条件下におけるポンプＬＥＤのピーク発光波長は、約４０５〜４３０ｎｍである。
前述したように、従来のＬＥＤ光源は不適切であることが多い。例えば、高ＣＲＩ白色ＬＥＤ光を生成するために、４４０〜４７０ｎｍの範囲で発光するＬＥＤ素子（一般的にポンプＬＥＤと呼ばれる）を用いるのが、最も一般的なアプローチの１つである。このＬＥＤ素子は、２つの蛍光体、すなわち、黄色／緑色蛍光体および赤色蛍光体を励起する。いくつかの黄色／緑色蛍光体（例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ）が高量子効率を示すため、このアプローチは便利である。
残念なことに、このアプローチには制約が多い。すなわち、ＹＡＧ蛍光体は約４６０ｎｍの狭いスペクトル領域においてしか効率的に励起できないため、利用可能なポンプＬＥＤの波長範囲が制限される。内部量子効率（ＩＱＥ）の高いＬＥＤ素子はこのような波長において低電流密度において作製可能ではあるものの、そのＩＱＥは、電流密度を高めると急速に低下する。これは、以下の２つの影響に起因する： （ａ）大きな圧電場に起因して、キャリアの重複が低減し、その結果キャリア寿命が延びて、ＩＱＥ曲線がより低い電流密度へとシフトする； および（ｂ）約４４５ｎｍで発光する肉厚な活性領域に関連する問題（これは、歪みに関連して肉厚ＩｎＧａＮ層の成長の限界と、多量子井戸システム中に分散するキャリアによる問題との双方に起因する）。
図１は、異なる波長で発光するＬＥＤの効率挙動を示す。短波長ＬＥＤ（４１５−４３０ｎｍ）は、長波長ＬＥＤ（４４５ｎｍ以上）と比較して、キャリア密度が高くなっても効率を維持する。図１は、以下の文献に基づいている：「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｏｎ ｃａｒｉｅｒ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓｉｎ ＩｎＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」（Ａ．Ｄａｖｉｄら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９７、０３３５０１（２０１０））。この文献には、より長波長のＬＥＤにおける分極場の増加について記載がある。また、「Ｃａｒｒｉｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ（０００１）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」（Ａ．Ｄａｖｉｄら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２、０５３５０２（２００８））では、４５０ｎｍポンプＬＥＤ中の量子井戸間でのキャリア分散が困難であることが記載されている。
ポンプＬＥＤからの青色光は、白色スペクトルに寄与する。そのため、所定のＣＣＴを達成するためには、蛍光体によって透過される青色光の量を細かく制御する必要がある。ポンプＬＥＤの波長のばらつきも、蛍光体組成／ローディングにおいて考慮に入れる必要がある。波長差を考慮することは、白色ＬＥＤ製造において困難な作業になり得る。
４４０ｎｍポンプＬＥＤの最新の結果について、文献「Ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｓｕｐｅｒ−ｈｉｇｈ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｅｆｆｉｃａｃｙ」（Ｙ．Ｎａｒｕｋａｗａ、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ４３、３５４００２（２０１０））に記載がある。室温でかつ電流密度約１００Ａ／ｃｍ２において、外部量子効率が６５％であることが報告されている。室温と１００℃の接合温度との間における抽出効率が約９０％でありかつ性能低下が約１０％であると仮定すると、この効率は、１００Ａ／ｃｍ２かつ１００℃の条件では、約６５％のＩＱＥに相当する。
別の従来のアプローチでは、発光ピークが３９５〜４０５ｎｍのポンプＬＥＤを用いて、３つまたは４つの蛍光体からなるシステムをポンプする。このアプローチは、４００ｎｍポンプＬＥＤが典型的には４４５ｎｍポンプＬＥＤよりもより高い電流密度においてより高い性能を保持するため、有利である。これは、圧電場がより低くまた活性領域が肉厚であることに起因すると考えられる。
最終スペクトル内のエミッタ波長の存在または不在の利用によって最終スペクトルへの（色または輝度への）影響を最小化したＬＥＤエミッタを用いた場合、駆動電流および温度に対する性能が極めて安定する。素子の動作範囲（例えば４０５ｎｍエミッタのスペクトル重量）に合わせて色安定蛍光体材料を適切に選択すると、４５０ｎｍエミッタのわずか１．５％となる。４２０ｎｍエミッタのスペクトル重量も、４５０ｎｍエミッタのスペクトル重量のわずか１０％である。色安定性および蛍光体により被覆された最終ＬＥＤのフラックスが、従来の青色ポンプ素子と比較して大幅に増加し、最終スペクトルのうち２０％が、４５０ｎｍのエミッタによって構成される。
最終スペクトルにおける特定量のエミッタ光漏れを標的化する必要が無くなることにより、製造環境における色収率も向上する。約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍのポンプ素子の製造における蛍光体蒸着プロセスでは、大量の色再現性を犠牲にせずに、より大きいプロセスのばらつきを許容できる。そのため、製造プロセスを、再現性のロス無くより高いスループットで行うことが可能となる。
３つ以上の色成分（チップ放射および少なくとも２つの蛍光体）を用いることにより、２成分表色系の場合よりも、蛍光体変換ＬＥＤ素子における色域の調整が、より大幅にできる。広範囲の色調整および演色評価項目の増大が可能になる。２色成分白色ＬＥＤの場合、プランク曲線において１つしか断面が無く（バランスのとれた白色スペクトルを達成するための１点のみ）、一方、３色以上の表色系の場合、プランク曲線に沿って無限の調整が可能となる。
しかし、このアプローチには、以下のような各種制約がある：
１．ポンプ波長と蛍光体波長との間のストークス損失が大きくなるため、蛍光体の下方変換プロセスにおいてエネルギー損失も大きくなる。ポンプＬＥＤのバンドギャップが比較的大きくなって４００ｎｍとなった場合、動作電圧も高くなる。４００ｎｍポンプＬＥＤの活性領域へのキャリアの閉じ込めの低下に起因して、キャリアが逃げやすくなり、その結果高温での性能が低下する。ほとんどの材料で、４４５ｎｍよりも４００ｎｍにおける吸収の方が大幅に高い（シリコン、いくつかの基材（例えば、ＧａＮまたはＳｉＣ）、およびＡｕボンドワイヤによって構成されるＬＥＤにおいて一般的に用いられる高反射率金属（例えば、ＡｌおよびＡｇ）がこれに該当する）。その結果、光抽出効率が低下する。
２．３８０〜４３０ｎｍの励起光と共に用いられる蛍光体については、顕著な進展はみられていない。そのため、利用可能な蛍光体材料の性能レベルは、ＬＥＤ製造業者によって材料（例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＹＡＧ−黄色）およびＣａＡｌＳｉＮ：Ｅｕ２＋（赤色））として用いられている、４５０ｎｍポンプＬＥＤの最新の蛍光体の性能よりも劣っている。これらの材料は、時間と労力をかけて改良された。
３．最新蛍光体材料のこのような性能のオフセットに起因して、利用可能な蛍光体のうち、一部のみしか高性能ＬＥＤ素子に用いることができない。主要な例として、チップが発光する全波長の使用に適していない青色蛍光体がある。２つの青色発光蛍光体の吸光特性を図２に示す。縦線は、これら２つの蛍光体吸光曲線において４０５ｎｍおよび４２０ｎｍのエミッタの位置を示す。これら２つの材料の吸光度は４０５ｎｍにおいて類似しているものの、４２０ｎｍにおいては明らかに異なっている。このように、第１の蛍光体の吸光度の低下に起因して、より長波長のエミッタに関して素子の性能に大きな影響が出る。この性能変化を図３に示す。
本発明は、高性能の白色ＬＥＤ光源を提供する。特に、本発明は、高ＣＲＩ白色ＬＥＤに対する新規なアプローチを提供する。例えば、白色ＬＥＤ光源は、ポンプＬＥＤと、３つ以上の蛍光体（例えば、青色、緑色および赤色）システムとを含む。前記ポンプＬＥＤのピーク発光は、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲である。実質的に白色のスペクトルが、前記蛍光体の発光によって生成される。
本発明の１つの利点として、中程度の歪みおよび圧電場に起因して、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍのポンプＬＥＤが、（４００ｎｍポンプＬＥＤと同様の）高キャリア密度で極めて高いＩＱＥを示す点である。一方、活性領域内のキャリア閉じ込めが大幅に向上するため、高温における性能も低下しない。４００ｎｍＬＥＤと比較してバンドギャップも低いため、順電圧も低くなる。そのため、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲が、ポンプＬＥＤの性能の観点からみて最適である。（電流密度１００Ａ／ｃｍ２および接合温度１００℃における）このようなＬＥＤの高ＩＱＥ性能は、７０％を超え、さらには９０％を超え得る。これは、上記従来技術において説明したような４４０ｎｍで発光する最新のＬＥＤの約６５％に匹敵する。
また、ほとんどの材料の光吸収が４００ｎｍよりも約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍで大幅に低く、これにより光抽出効率が大幅に向上する。また、上述したように、白色光生成のために３つ以上の蛍光体を用いると、色調節およびプロセスの安定性において有利になる。約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍにおいて強い吸収を得ることができる青色蛍光体が利用可能であり、これを用いれば高量子効率が得られる。この波長範囲で強い吸光を示す青色発光蛍光体の例を以下にいくつか挙げる：ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、Ｓｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅ、ＬａＡｌ（Ｓｉ６−ｚＡｌｚ）Ｎ１０−ｚＯｚ：Ｃｅ３＋、ａ−Ｓｉａｌｏｎ：Ｃｅ３＋、（Ｙ，Ｌａ）−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｃｅ３＋、Ｇｄ１−ｘＳｒ２＋ｘＡｌＯ５−ｘＦｘ：Ｃｅ３＋。４００ｎｍポンプＬＥＤと比較して、ストークス損失も軽減する。
図４は、本発明の実施形態を示す。同図に示す光学素子では、ピーク発光約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍのＬＥＤが、青色蛍光体、赤色蛍光体および緑色蛍光体にポンプを行う。図４に示すように、ポンプＬＥＤ源は、基板または支持部材上に配置される。例えば、ポンプＬＥＤ源は、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｎの波長で発光する。ポンプＬＥＤ源は、このＬＥＤ源からの放射光を吸収する蛍光体材料の混合物中に配置される。蛍光体材料は、ポンプＬＥＤによって励起され、青色光、緑色光および赤色光を発光する。好適な実施形態において、前記蛍光体混合物は、蛍光体からの放射の組み合わせによって白色光を放つように、調整される。前記蛍光体材料混合物は、実質的に透明な封入材内に配置される。この封入材は、ポンプＬＥＤ源および蛍光体の発光光の両方を実質的に透過する。
用途に応じて、前記封入材は、多様な種類の材料を含み得る。好適な実施形態において、前記封入材は、光抽出効率を向上させるように構成される。例えば、前記封入材の材料は、ポリマー種を含み得る。好適な実施形態において、前記ポンプＬＥＤ源は、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの波長において発光し、混合された３つの蛍光体（例えば、青色蛍光体、緑色蛍光体、および赤色蛍光体）をポンプする。この蛍光体混合物は、ポンプＬＥＤ源からの光の大部分を、より長波長の光へと変換する。もちろん、蛍光体混合物は、さらなる蛍光体を含んでもよい。例えば、ＣＲＩ上昇のために、アンバー蛍光体を付加してもよい。
多様な実施形態において、前記ＬＥＤからの放射光の波長は、温度変化に起因して変化する。例えば、室温では、ポンプＬＥＤは、約３９８ｎｍの波長の光を放射する。温度が約１２０℃まで上昇すると、ポンプＬＥＤは、約４０５ｎｍの波長の光を放射する。典型的には、波長シフトの原因は、主に高電流および／または高温である。例えば、動作温度が２３℃増加する毎に、ポンプＬＥＤからの放射波長も１ｎｍ増加する。本発明の多様な実施形態において用いられる封入材および蛍光体材料は、このような波長のシフトを補償することができる。
図５は、４５０ｎｍ（左）および４２０ｎｍ（右）で発光する多量子井戸（ＭＱＷ）ＬＥＤ中に分散したキャリアを示す。４５０ｎｍの発光スキームでは、エネルギー障壁が大きくなり、その結果、前記量子井戸間での正孔の拡散が阻害され得る。図示のように、電子は少なからずより均等に分散するが、正孔はそのようには分散しない。これとは対照的に、４２０ｎｍの発光スキームでは、前記エネルギー障壁はより低く、そのため正孔分布も向上し、その結果、活性領域の有効体積も増加する。よって、本発明の実施形態により、より最適化されたキャリア分散が達成される。より詳細には、４５０ｎｍポンプＬＥＤと比較して、キャリアが閉じ込められることが低減され、その結果、ＭＱＷシステム中のキャリア分散が向上する。よって、図５に示すように、活性領域を肉厚にできるため（例えば、活性領域の厚さが１０ｎｍまたは５０ｎｍを超える）、この活性領域にキャリアを効率的に注入することが可能になる。
図６は、本発明の一実施形態を示す。５個のポンプＬＥＤがアレイ状に配置されている。この実行様態において、これらのＬＥＤは、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの波長で発光する。これらのＬＥＤは、色変換用に作られた蛍光体混合物内に配置される。前述したように、蛍光体混合物は、前記ポンプＬＥＤからの発光光を効率よく吸収する蛍光体材料を含む。例えば、蛍光体混合物は、以下の材料のうち１つ以上を含む：ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、Ｓｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅ、ＬａＡｌ（Ｓｉ６−ｚＡｌｚ）Ｎ１０−ｚＯｚ：Ｃｅ３＋、ａ−Ｓｉａｌｏｎ：Ｃｅ３＋、（Ｙ，Ｌａ）−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｃｅ３＋、Ｇｄ１−ｘＳｒ２＋ｘＡｌＯ５−ｘＦｘ：Ｃｅ３＋。蛍光体混合物は、ポンプＬＥＤからの光を他の色（例えば、赤色、緑色および／または青色）の光に変換するように調製される。異なる色の光が組み合わされると、好適には実質的に白色光が生成される。蛍光体材料の混合物は、封入材内に配置される。この封入材は、ポンプＬＥＤおよび蛍光体の発光光の両方に対して実質的に透過性である。好適な実施形態では、封入材は、光抽出効率を向上させるように特に構成され、ポリマー種から形成される。
図７は、本発明の一実施形態を示す。ポンプＬＥＤはアレイ状に配列される。一画素内で、異なる蛍光体組成物がそれぞれ異なる場所に配置される。そして、互いに離間した個々の空間的領域で、赤色光、緑色光および青色光への変換を別個に行う。図７に示すように、５個のＬＥＤがアレイ状に配置され、このアレイが蛍光体材料をポンプするように構成されている。各単色蛍光体材料が、ＬＥＤの発光光をそれぞれ吸収し、この蛍光体材料が関係する色を再発光する。各蛍光体材料が関係する色は異なる。蛍光体材料は、ＬＥＤ上に、画素化された様態で配置される。この画素化パターンは、異なる複数の発光光を生成し、この発光光がミックスして、実質的に白色の光が生成される。
好適な実施形態において、各ＬＥＤは、実質的に同じ色（例えば、波長が約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの光）を発光し、これらＬＥＤからの発光光が、異なる空間位置に配置された各単一色蛍光体材料をポンプする。その結果、各色蛍光体材料から、色の付いた光が発光される。例えば、図７に示す蛍光体材料からは、それぞれ赤色光、緑色光および青色光が発せられる。図７に示す構成では、必要な色および使用されるＬＥＤの種類に基づいて、ポンプＬＥＤおよび／または蛍光体の種類を、アレイに沿って変えることができる。
図８に示す本発明の一実施形態では、ポンプＬＥＤがアレイ状に配置され、２つのＬＥＤ発光波長が用いられる。短波長ＬＥＤ（約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍ）が赤色蛍光体および緑色蛍光体をポンプし、より長波長のＬＥＤ（４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ）が青色光を発光する。図８に示すように、５個のＬＥＤ素子が、基板またはサブマウント上に配置され、ＬＥＤアレイを形成する。より詳細には、真ん中のＬＥＤ素子が、青色光（例えば、波長約４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ）を発光し、他のＬＥＤ素子が、実質的に紫色（例えば、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍ）の波長範囲の光を放つ。この紫色ＬＥＤ素子は、色付き蛍光体材料内に配置され、蛍光体材料をポンプする。蛍光体材料がポンプされると、色の付いた光（例えば、赤色光）を発光する。同様に、緑色蛍光体材料が実質的に紫色光を吸収すると、緑色光を発光する。青色ＬＥＤ素子は蛍光体材料内に配置されておらず、その結果青色ＬＥＤ素子から発生した青色光は直接放射される。
用途に応じて、いくつかのポンプＬＥＤと、蛍光体材料をポンプするように構成されていない青色ＬＥＤまたは赤色ＬＥＤとを共に用いて、ＬＥＤをアレイジオメトリ状に配置することができる。図８に示すようなＬＥＤ配置により、光吸収を低減させることが可能となることが理解される。例えば、約４０５ｎｍ〜４３０ｎｍのダイ内部での吸光が（基板吸光の低下に起因して）、４００ｎｍのダイ内部吸光よりも低減する。これは、より長波長のポンプＬＥＤを利用するさらなる利点となる。
蛍光体材料およびＬＥＤ素子を異なる配置構成とすることにより、異なる色の光を得ることができる。好適な実施形態では、これらのＬＥＤ素子を、非極性基板または半極性基板上に成長させる。特定の実施形態において、ＬＥＤ素子を低転位密度基板（＜１ｘ１０７転位／ｃｍ２）上に成長させることで、高電流密度および高温での動作における信頼性を確保できる。
波長変換材料は、セラミックまたは半導体粒子蛍光体、セラミックまたは半導体プレート蛍光体、有機または無機のダウンコンバータ、アップコンバータ（反ストーク）、ナノ粒子、および波長変換を可能にする他の材料であり得る。いくつかの例を下記に示す。
（Ｓｒｎ，Ｃａ１−ｎ）１０（ＰＯ４）６＊Ｂ２Ｏ３：Ｅｕ２＋（ここで０≦ｎ≦１）
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３（Ｃｌ，Ｆ，Ｂｒ，ＯＨ）：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＢＰＯ５：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
Ｓｒ２Ｓｉ３Ｏ８＊２ＳｒＣｌ２：Ｅｕ２＋
（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
ＢａＡｌ８Ｏ１３：Ｅｕ２＋
２ＳｒＯ＊０．８４Ｐ２Ｏ５＊０．１６Ｂ２Ｏ３：Ｅｕ２＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）Ａｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋
（Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ，Ｌａ）ＢＯ３：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）２（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ２Ｏ７：Ｅｕ２＋
（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｚｎ）２Ｓｉ１−ｘＯ４−２ｘ：Ｅｕ２＋（ここで０≦ｘ≦０．２）
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕ２＋
（Ｃａ，Ｓｒ）８（Ｍｇ，Ｚｎ）（ＳｉＯ４）４Ｃｌ２：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
Ｎａ２Ｇｄ２Ｂ２Ｏ７：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｚｎ）２Ｐ２Ｏ７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）２Ｏ３：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋
（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋
（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｌａ）ＶＯ４：Ｅｕ３＋，Ｂｉ３＋
（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ２＋，Ｃｅ３＋
（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｌａ，Ｓｍ，Ｐｒ，Ｌｕ）３（Ｓｃ，Ａｌ，Ｇａ）５−ｎＯ１２−３／２ｎ：Ｃｅ３＋（ここで０≦ｎ≦０．５）
ＺｎＳ：Ｃｕ＋，Ｃｌ−
（Ｙ，Ｌｕ，Ｔｈ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋
ＺｎＳ：Ｃｕ＋，Ａｌ３＋
ＺｎＳ：Ａｇ＋，Ａｌ３＋
ＺｎＳ：Ａｇ＋，Ｃｌ−
（Ｃａ，Ｓｒ）Ｇａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋
ＳｒＹ２Ｓ４：Ｅｕ２＋
ＣａＬａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＭｇＰ２Ｏ７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋
（Ｙ，Ｌｕ）２ＷＯ６：Ｅｕ３＋，Ｍｏ６＋
ＣａＷＯ４
（Ｙ，Ｇｄ，Ｌａ）２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋
（Ｙ，Ｇｄ，Ｌａ）２Ｏ３：Ｅｕ３＋
（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ｎＳｉｎＮｎ：Ｅｕ２＋（ここで２ｎ＋４＝３ｎ）
Ｃａ３（ＳｉＯ４）Ｃｌ２：Ｅｕ２＋
（Ｙ，Ｌｕ，Ｇｄ）２−ｎＣａｎＳｉ４Ｎ６＋ｎＣ１−ｎ：Ｃｅ３＋（ここで０≦ｎ≦０．５）
（Ｌｕ，Ｃａ，Ｌｉ，Ｍｇ，Ｙ）ａｌｐｈａ−ＳｉＡｌＯＮ（Ｅｕ２＋および／またはＣｅ３＋でドープ）
（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＳｉＯ２Ｎ２：Ｅｕ２＋，Ｃｅ３＋
（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋
ＣａＡｌＳｉ（ＯＮ）３：Ｅｕ２＋
Ｓｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋
（ＢａＳｉ）Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋
ＳｒＳｉ２（Ｏ，Ｃｌ）２Ｎ２：Ｅｕ２＋
（Ｂａ，Ｓｒ）Ｓｉ２（Ｏ，Ｃｌ）２Ｎ２：Ｅｕ２＋
ＬｉＭ２Ｏ８：Ｅｕ３＋（Ｍ＝（ＷまたはＭｏ））
上記リストにおいて、蛍光体が２つ以上のドーパントイオン（すなわち、上記蛍光体中のコロンに続くイオン）を含む場合、蛍光体はこれらのドーパントイオンのうち（必ずしも全部ではなく）少なくとも１つを材料中に含むことを意味することが理解される。すなわち、当業者であれば理解するように、このような表記は、蛍光体が、化学式中のドーパントとしてのイオンのうちいずれかまたは全てを含み得ることを示す。
特定の実施形態では、量子ドット蛍光体が、色変換目的のために用いられる。量子ドット材料は、半導体の一種であり、希土類でドープされた酸化物ナノ結晶である。そのサイズおよび化学的性質により、発光特性が決定される。半導体量子ドットの典型的な材料を挙げると、周知の（ＺｎｘＣｄ１−ｘ）Ｓｅ［ｘ＝０．．１］、（Ｚｎｘ，Ｃｄ１−ｘ）Ｓｅ［ｘ＝０．．１］、Ａｌ（ＡｓｘＰ１−ｘ）［ｘ＝０．．１］、（Ｚｎｘ，Ｃｄ１−ｘ）Ｔｅ［ｘ＝０．．１］、Ｔｉ（ＡｓｘＰ１−ｘ）［ｘ＝０．．１］、Ｉｎ（ＡｓｘＰ１−ｘ）［ｘ＝０．．１］、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）Ｓｂ［ｘ＝０．．１］、（Ｈｇｘ，Ｃｄ１−ｘ）Ｔｅ［ｘ＝０．．１］の閃亜鉛鉱半導体結晶構造がある。希土類ドープ酸化物ナノ結晶の公開例を以下に挙げる：Ｙ２Ｏ３：Ｓｍ３＋、（Ｙ，Ｇｄ）２Ｏ３：Ｅｕ３＋、Ｙ２Ｏ３：Ｂｉ、Ｙ２Ｏ３：Ｔｂ、Ｇｄ２ＳｉＯ５：Ｃｅ、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ、Ｌｕ２ＳｉＯ５：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ。しかし、他の単純な酸化物またはオルトケイ酸塩も含まれ得る。
特定の実施形態において、本発明は、照明用途に利用することが可能な２蛍光体紫色ポンプ白色ＬＥＤを提供する。特定の実施形態において、シアン蛍光体およびオレンジ蛍光体を紫色ポンプＬＥＤチップと共に用いる。例えば、約４００〜４４０ｎｍの波長で発光する紫色チップが提供される。この構成では、２つの蛍光体からの発光が、白色光の色度および色質を実質的に決定する。例えば、色は主に２つの蛍光体の混合比によって決定され、ポンプ光漏れは典型的には最小であり、肉眼で感知されることはほとんど無い。このアプローチは、蛍光体の複雑度およびコスト低下という利点と、２蛍光体システムによる簡単な色調節という利点の組み合わせが得られる。さらに、大量製造における色度分散の厳密制御を維持するために青色光の光漏れを厳密に制御することが不可欠である青色光ポンプシステムの場合とは対照的に、紫色ポンプは肉眼で感知しにくいため、紫色を標的化すると、製造での収率を高めることが可能になる。
図９は、２蛍光体紫色ポンプ白色ＬＥＤの発光スペクトルを示す。本実施例では、Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ社製のシアン蛍光体Ｇ１７５８（商標）およびオレンジ蛍光体Ｏ６０４０（商標）を組み合わせて、約４２０ｎｍで発光するＬＥＤによってポンプする。他の種類のシアン蛍光体およびオレンジ蛍光体も利用可能であることが理解される。このような構成において、他の蛍光体の組み合わせおよび別のポンプ発光波長の選択が可能である。図９において、５％の絶対光漏れレベルに対して、紫色ポンプＬＥＤからの光漏れは±２０％の範囲内である。３つの場合全てにおいて、ＣＣＴがおよそ２７００Ｋであるとき、演色性（ＣＲＩ）は約８３である。前記３つのスペクトル間における色度変動は極めて小さく、プランクからのｕ'およびｖ'の逸脱合計は０．００４未満である。ルーメン有効性は、約３０１〜３０５ｌｍ／Ｗｏｐｔである。利点の１つとして、この構成では長波長ポンプチップ（この場合は４２０ｎｍ）を用いているため、より短波長のポンプＬＥＤと比較して、光抽出効率およびパッケージ効率が増加し、順電圧およびストークス損失が低下する点がある。また、この構成では、青色蛍光体を使わないため、効率損失の要因の一つが無くなり、蛍光体ローディングが全体的に低減し、またコストおよび複雑性も低減している。
上記において特定の実施形態を詳述してきたが、多様な改変、代替的構造および均等例が可能である。よって、上記の記載および例示は、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲を制限するものとしてとらえるべきではない。
ＬＥＤの発光波長に応じた青色蛍光体の吸光度、および対応する白色ＬＥＤの出力を示す。 ＬＥＤの発光波長に応じた青色蛍光体の吸光度、および対応する白色ＬＥＤの出力を示す。

Claims (17)

  1. 光学素子であって、
    基材と、
    前記基材の一部分上に設けられた少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ここで、当該少なくとも１つのＬＥＤは、
    表面領域を有するガリウムおよび窒素含有バルク基板と、ここで、当該表面領域は、極性結晶配向によって特徴付けられる、
    活性領域を含む接合領域と、ここで、当該活性領域は、約４０５〜約４３０ｎｍの波長の電磁波を放射するように構成される、
    前記接合領域に接続された第１の電気接点領域および第２の電気接点領域と、ここで、当該第１の電気接点領域および第２の電気接点領域は、前記活性領域からの電磁波の放射を可能にする電流を供給する、
    を有し、
    蛍光体材料の混合物と、ここで、当該混合物は、第１の蛍光体材料、第２の蛍光体材料および第３の蛍光体材料をバインダー材料に含んでなり、当該混合物は、前記少なくとも１つのＬＥＤの近傍に配置され、前記電磁波と相互作用して、前記約４０５〜約４３０ｎｍの波長の電磁波を約４４０〜約６５０ｎｍの波長の電磁波に実質的に変換するように構成される、
    を備え、
    前記第１の蛍光体材料は、青色蛍光体を含み、ここで、当該青色蛍光体は、約４０５〜約４３０ｎｍの波長の電磁波を強く吸収する、
    前記光学素子は、約４０５〜約４３０ｎｍの波長範囲から±１０％の波長範囲内における一定の光出力で特徴付けられ、
    前記少なくとも１つのＬＥＤは、少なくとも１００Ａ／ｃｍ ２ の電流密度、かつ約１００℃〜約１５０℃の動作温度において、少なくとも７０％の内部量子効率を維持し、
    前記光学素子は、実質的に白色光を発光する、
    光学素子。
  2. 前記ガリウムおよび窒素含有基板は、非極性配向または半極性配向によって特徴付けられるバルクＧａＮである、請求項１に記載の素子。
  3. 前記少なくとも１つのＬＥＤは、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度で駆動される、請求項１に記載の素子。
  4. 前記少なくとも１つのＬＥＤのワット当たりのルーメン効率は、少なくとも５０％である、請求項１に記載の素子。
  5. 前記少なくとも１つのＬＥＤは、アレイ状に配置された複数のＬＥＤを有する、請求項１に記載の素子。
  6. 前記複数のＬＥＤは、異なる発光波長のＬＥＤを有する、請求項５に記載の素子。
  7. 前記青色蛍光体の吸光率は、１〜４０ｃｍ−１である、請求項１に記載の素子。
  8. 前記青色蛍光体は、ピーク発光波長が４４０ｎｍ〜４８０ｎｍであり、かつスペクトルＦＷＨＭが少なくとも１０ｎｍである、請求項１に記載の素子。
  9. 前記青色蛍光体の吸光率は１〜４０ｃｍ−１であり、ピーク発光波長は４４０ｎｍ〜４８０ｎｍであり、スペクトルＦＷＨＭは１０ｎｍを超える、請求項１に記載の素子。
  10. 前記青色蛍光体は、下記からなる群より選択される青色蛍光体を含み：
    ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ７：Ｅｕ２＋、Ｓｒ６Ｐ５ＢＯ２０：Ｅｕ２＋、（ＳｒＣａ）２Ｂ５Ｏ９Ｃｌ：Ｅｕ２＋、ＳＲ５Ｃｌ（ＰＯ４）３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｐ２Ｏ７：Ｅｕ２＋、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、Ｓｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ６−ｚＡｌｚ）Ｎ１０−ｚＯｚ：Ｃｅ３＋、ａ−Ｓｉａｌｏｎ：Ｃｅ３＋、（Ｙ，Ｌａ）−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｃｅ３＋、Ｇｄ１−ｘＳｒ２＋ ２＋ｘＡｌＯ５−ｘＦｘ：Ｃｅ３＋、およびこれらの任意の組み合わせ、
    前記青色蛍光体は、ピーク吸光波長が４０５ｎｍ〜４３０ｎｍであり、かつ、４０５ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲内のピーク吸光波長における吸光度が、５０％以上である、請求項１に記載の素子。
  11. 前記蛍光体材料の混合物は、プランク曲線（ｄｕ'ｖ'＜．０１）上またはその近傍において放射するように調製され、平均演色は少なくとも７５である、請求項１に記載の素子。
  12. 前記活性領域は、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度で注入されるように構成され、少なくとも１００℃の接合温度において約７０％以上の内部量子効率を維持するように構成される、請求項１に記載の素子。
  13. 前記活性領域からの電磁波は、４０５ｎｍ未満の波長および４４０ｎｍを超える波長の電磁波を実質的に含まない、請求項１に記載の素子。
  14. 光学素子であって、
    基材の一部分上に設けられた少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ここで当該少なくとも１つのＬＥＤは、
    表面領域を有するガリウムおよび窒素含有基板と、ここで、当該表面領域は、極性結晶配向によって特徴付けられる、
    活性領域を含む接合領域と、ここで、当該活性領域は、約４０５〜約４３０ｎｍの電磁波を放射する、
    前記接合領域に接続された第１の電気接点領域および第２の電気接点領域と、ここで、当該第１の電気接点領域および第２の電気接点領域は、前記活性領域が電磁波を発生させるための電流を供給する、
    を有し、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの近傍に配置された色変換材料と、ここで、当該色変換材料は、青色蛍光体を含み、ここで、当該青色蛍光体は、約４０５〜約４３０ｎｍの波長の電磁波を強く吸収する、
    を備え、
    前記活性領域は、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度で注入されることにより、前記約４０５〜４３０ｎｍの電磁波を放射するように、かつ、内部量子効率が少なくとも約７０％に維持されるように、かつ、温度が約８５℃〜約１５０℃に維持されるように構成され、
    さらに、前記電磁波は、４０５ｎｍ未満の波長、および４４０ｎｍを超える波長を実質的に含まず、
    前記色変換材料からの前記電磁波の漏洩は、約４〜６％であり、
    前記光学素子は、約４０５〜約４３０ｎｍの波長範囲から±１０％の波長範囲内における一定の光出力で特徴付けられ、
    前記光学素子は、実質的に白色光を発光する、
    光学素子。
  15. 前記ガリウムおよび窒素含有基板はバルクＧａＮであり、当該バルクＧａＮは、極性配向である、請求項１４に記載の素子。
  16. 前記ガリウムおよび窒素含有基板は、１Ｅ７ｃｍ−２未満の転位密度で特徴付けられるバルクＧａＮである、請求項１４に記載の素子。
  17. 前記色変換材料は、第１の色変換材料および第２の色変換材料を含み、当該第１の色変換材料および第２の色変換材料は、それぞれ異なる波長に関連する、請求項１４に記載の素子。



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