JP2022050894A - 発光デバイスおよび光源デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上させることの可能な発光デバイスおよび光源デバイスを提供する。【解決手段】本発明の一側面に係る発光デバイスは、励起光照射面を有し、励起光照射面に照射された励起光により蛍光を発する蛍光体層と、蛍光体層から発せられた蛍光を励起光照射面に向かって反射する反射層と、蛍光体層と反射層との間に設けられ、蛍光体層の、反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を反射層側に有する透明層とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光体を用いた発光デバイスおよび光源デバイスに関する。

近年、プロジェクタや、照明、ヘッドライトなどの光学製品において、高輝度化が進んでいる。従来、このような光学製品では、光源として水銀ランプやハロゲンランプ、ＬＥＤが用いられていた。しかし、高輝度化に伴い、蛍光体およびレーザを用いた光源が検討されている。この光源では、例えば、蛍光体にレーザ光を励起光として照射し、それにより得られる蛍光とレーザ光との合成光が出射光として利用される。

しかし、蛍光体およびレーザを用いた光源では、入力および出力のパワーが非常に大きい。そのため、わずかなエネルギーロスであっても、そのエネルギーロスで発生した熱によって、蛍光体が発熱し、発光強度が著しく減少する、温度消光という現象が発生する。また、発熱は、蛍光体にとって寿命を縮める要因ともなる。そこで、蛍光体を回転機構に取り付け、励起光を照射する時に蛍光体を回転させ、照射面を断続的に移動させることで単位面積当たりの照射時間を短縮し、温度消光の発生を抑制することが考えられる。しかし、この方法では、回転機構を設けたことによる光学製品の機構的信頼性の低下、大型化、高騒音化が課題となる。

そこで、蛍光体を回転させる代わりに、蛍光体の裏面に放熱基板を貼り合わせ、蛍光体で発生した熱を放熱基板へ逃がすことが考えられる（例えば、特許文献１～３参照）。

特開２０１６－１９２２９６号 特開２０１６－１７７９７９号 特開２０１３－１８７０４３号

ところで、蛍光体から発せられた蛍光が放熱基板に吸収されるのを避けるため、蛍光体と放熱基板との間に反射層が設けられる。しかし、単に反射層を設けただけでは、発光効率がさほど向上しない場合があった。従って、発光効率を向上させることの可能な発光デバイスおよび光源デバイスを提供することが望ましい。

本発明の一側面に係る発光デバイスは、励起光照射面を有し、励起光照射面に照射された励起光により蛍光を発する蛍光体層と、蛍光体層から発せられた蛍光を励起光照射面に向かって反射する反射層と、蛍光体層と反射層との間に設けられ、蛍光体層の、反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を反射層側に有する透明層とを備えている。

本発明の一側面に係る第１の光源デバイスは、蛍光を発する光源デバイスと、光源デバイスに励起光を照射する励起光源と、光源デバイスから発せられた蛍光と、光源デバイスで反射された励起光とを合成するとともに集光するレンズとを備えている。第１の光源デバイスにおいて、光源デバイスは、上述の光源デバイスと同様の構成を有している。

本発明の一側面に係る第２の光源デバイスは、蛍光を発する光源デバイスと、光源デバイスに励起光を照射する励起光源と、光源デバイスから発せられた蛍光と、光源デバイスから発せられた蛍光と、光源デバイスで反射された励起光とを反射するとともに合成するリフレクタとを備えている。第２の光源デバイスにおいて、光源デバイスは、上述の光源デバイスと同様の構成を有している。

本発明の一側面に係る発光デバイス、第１の光源デバイスおよび第２の光源デバイスによれば、蛍光体層と反射層との間に、蛍光体層の、反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を反射層側に有する透明層を設けるようにしたので、平坦性の高い透明層に反射層を形成したときに、蛍光体層の裏面に直接、反射層を形成したときに形成されるような柱状配向が反射層に形成されるのを低減することができる。その結果、反射層で正反射し易くなるので、発光効率を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る発光デバイスの概略構成例を表す図である。 図１の蛍光複合体および反射層の断面写真である。 比較例に係る蛍光体および反射層の断面写真である。 図１の透明層の厚さと発光寿命変動比率との関係の一例を表す図である。 図１の透明層の厚さと発光寿命変動比率との関係の一例を表す図である。 図１の透明層の厚さと発光寿命変動比率との関係の一例を表す図である。 図１の発光デバイスを備えた光源デバイスの概略構成例を表す図である。 図１の発光デバイスを備えた光源デバイスの概略構成例を表す図である。 図７の光源デバイスの概略構成の一変形例を表す図である。 図８の光源デバイスの概略構成の一変形例を表す図である。 図７の光源デバイスの概略構成の一変形例を表す図である。 図８の光源デバイスの概略構成の一変形例を表す図である。 図７～図１２の光源デバイスを備えた電子機器の概略構成例を表す図である。

以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本発明の一具体例であって、本発明は以下の態様に限定されるものではない。また、本発明は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比などについても、それらに限定されるものではない。

＜１．実施の形態＞
[構成]
本発明の一実施の形態に係る発光デバイス１０について説明する。図１は、発光デバイス１０の概略構成例を表したものである。発光デバイス１０は、励起光を受けて蛍光を放射する蛍光複合体１６を備えた固定型波長変換デバイスである。発光デバイス１０は、例えば、図１に示したように、励起光照射面１０Ａに設けられた蛍光複合体１６と、放熱基板１１と、蛍光複合体１６と放熱基板１１との間に設けられた接合層１２、密着性向上層１３、拡散防止層１４および反射層１５とを備えている。

蛍光複合体１６は、例えば、蛍光体層１６Ｂと透明層１６Ａとが積層された構造となっている。蛍光体層１６Ｂが励起光照射面１０Ａ側に設けられており、透明層１６Ａが反射層１５側に設けられている。

蛍光体層１６Ｂは、例えば、Ｃｅが添加されたＹＡＧ単結晶（第１グレイン媒質）と、サファイア単結晶（第２グレイン媒質）との共晶であり、第１グレイン媒質と第２グレイン媒質とが絡み合った三次元構造を備えている。第１グレイン媒質は、単結晶で構成された蛍光グレイン媒質である。第２グレイン媒質は、単結晶で構成された非蛍光グレイン媒質である。蛍光体層１６Ｂは、例えば、１または複数の第１グレイン媒質と１または複数の第２グレイン媒質とが絡み合った三次元構造を備えていてもよい。このとき、１または複数の第１グレイン媒質のうち、少なくとも１つの第１グレイン媒質は、蛍光物質を添加したＹＡＧ単結晶もしくはＹＡＧ多結晶を含んでいる。また、１または複数の第２グレイン媒質のうち、少なくとも１つの第２グレイン媒質は、サファイア単結晶もしくはサファイア多結晶を含んでいる。このような構成の蛍光体層１６Ｂは、励起光照射面１０Ａに青色光が照射されると、照射光（青色光）を反射するとともに、黄色の蛍光を生成し、放射する。

蛍光物質が添加されたグレイン媒質としては、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺（ＹＡＧ）以外には、赤色用として、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、Ｃａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺、（Ｃａ，Ｓｒ）₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺、ＫＳｉＦ₆：Ｍｎ⁴⁺、ＣａＳ：Ｅｕ²⁺などの蛍光体材料を用いることができる。また、蛍光物質が添加されたグレイン媒質としては、黄色用として、例えば、（Ｓｉ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、Ｃａ_X（Ｓｉ，Ａｌ）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆：Ｅｕ²⁺などの蛍光体材料を用いることができる。また、蛍光物質が添加されたグレイン媒質としては、緑色用として、例えば、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、Ｙ₃（Ｇａ，Ａｌ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、Ｃａ₃Ｓｃ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｃ₂Ｏ₄：Ｅｕ²⁺、（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、Ｂａ₃Ｓｉ₆Ｏ₁₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、（Ｓｉ，Ａｌ）₆（Ｏ，Ｎ）₈：Ｅｕ²⁺、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺などの蛍光体材料を用いることができる。

また、蛍光物質を添加するグレイン媒質は１種類とは限らない。蛍光物質を添加するグレイン媒質が２種類以上、蛍光体素子に含まれていてもよい。蛍光物質を添加されないグレイン媒質はサファイア以外の単結晶でもよい。また、ガラスや樹脂などのバインダが、蛍光物質を添加されたグレイン媒質間に介在していてもよい。蛍光物質を添加されたグレイン媒質（蛍光体粉末）をガラスや樹脂中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、または、蛍光体セラミックスが、蛍光体素子に含まれていてもよい。この蛍光物質を添加されないグレイン媒質は１種類とは限らない。蛍光物質を添加されないグレイン媒質が２種類以上、蛍光体素子に含まれていてもよい。また、蛍光物質を添加されたグレイン媒質を含む蛍光体素子において、蛍光物質を添加されたグレイン媒質の屈折率との屈折率差が大きいグレイン媒質が含まれていてもよい。また、高出力化のためには、透明で熱伝導率が高いグレイン媒質が蛍光体素子に含まれていることが好ましい。

なお、蛍光体層１６Ｂは、上記の構成に限定されるものではなく、他の構成となっていてもよい。蛍光体層１６Ｂは、例えば、蛍光物質を含む単結晶で構成されていてもよいし、蛍光物質と、蛍光物質とは異なる組成の材料との共晶もしくは焼成体であってもよい。

透明層１６Ａは、可視波長域の光を透過する透明性を有する層である。透明層１６Ａは、蛍光体層１６Ｂの裏面（放熱基板１１側の面）に接している。透明層１６Ａは、例えば、蛍光体層１６Ｂの裏面（放熱基板１１側の面）に対して、スパッタもしくは蒸着することにより形成されている。透明層１６Ａは、蛍光体層１６Ｂの裏面（放熱基板１１側の面）に対して、スパッタもしくは蒸着するのに適した材料で形成されていることが好ましい。そのような材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、オキシ窒化ケイ素（ＳｉＯ_xＮ_y）、ホウ素酸化物（Ｂ_xＯ_y）またはアルミニウム酸化物（Ａｌ_xＯ_y）が挙げられる。

透明層１６Ａの裏面（放熱基板１１側の面）の凹凸は、蛍光体層１６Ｂの裏面の凹凸と比べてより平坦となっている。透明層１６Ａは、蛍光体層１６Ｂの裏面に対してスパッタもしくは蒸着を行うことにより透明層１６Ａを形成したときに、上述の平坦性を担保可能な厚さとなっている。透明層１６Ａの厚さは、例えば、５ｎｍ以上、１μｍ以下となっている。透明層１６Ａの厚さは、透明層１６Ａにおける光吸収・光散乱の影響を低減する観点からは、できるだけ薄くなっていることが好ましく、例えば、５ｎｍ以上となっていることが好ましい。また、透明層１６Ａの厚さは、スパッタもしくは蒸着を行う際に妥当な処理時間となるような大きさとなっていることが好ましく、例えば、１μｍ以下となっていることが好ましい。また、透明層１６Ａの厚さは、表面プラズモンによる干渉によって発光寿命が短くなるのを避ける観点からは、後述の所定の範囲内となっていることが好ましい。透明層１６Ａの好ましい厚さについては、後に詳述する。

反射層１５は、蛍光体層１６Ｂを励起するために励起光照射面１０Ａに照射した光や、蛍光体層１６Ｂから発せられた蛍光を励起光照射面１０Ａに向かって反射するために設けられた層である。反射層１５は、蛍光体層１６Ｂを励起するために励起光照射面１０Ａに照射した光や、蛍光体層１６Ｂから放射された蛍光に対して高反射率の金属材料（例えば、Ａｇ、Ａｌ）、または、そのような金属材料を含む化合物で形成されている。反射層１５は、例えば、蛍光体層１６Ｂの裏面（放熱基板１１側の面）に対して、スパッタもしくは蒸着することにより形成されている。

放熱基板１１は、蛍光体層１６Ｂにおいて発生した熱を排熱するための基板である。放熱基板１１は、熱伝導性の高い材料で形成されており、例えば、銅（Ｃｕ）およびモリブデン（Ｍｏ）の合金（Ｍｏ－Ｃｕ）、または、銅（Ｃｕ）およびタングステン（Ｗ）の合金（Ｍｏ－Ｗ）で形成されている。接合層１２は、蛍光複合体１６、反射層１５および拡散防止層１４を含む積層体を放熱基板１１に接合するための層である。接合層１２は、例えば、半田材料（例えば、スズ（Ｓｎ）および金（Ａｕ）を主成分とする合金）で形成されている。

密着性向上層１３は、蛍光複合体１６、反射層１５および拡散防止層１４を含む積層体と、接合層１２との密着性を向上させるための層であり、例えば、厚さ２００ｎｍのＡｕ層で構成されている。密着性向上層１３は、例えば、拡散防止層１４の裏面（放熱基板１１側の面）に対して、スパッタもしくは蒸着することにより形成されている。拡散防止層１４は、接合層１２や放熱基板１１に含まれる金属材料が反射層１５に拡散し、反射層１５を変性させるのを防止する層である。拡散防止層１４は、例えば、チタン（Ｔｉ）およびチタン化合物のうち少なくとも一方を含むチタン層である。拡散防止層１４は、例えば、厚さ２００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）層を厚さ１００ｎｍの２つのチタン（Ｔｉ）層で挟んだ多層膜となっている。拡散防止層１４は、例えば、反射層１５の裏面（放熱基板１１側の面）に対して、スパッタもしくは蒸着することにより形成されている。

次に、透明層１６Ａについて詳細に説明する。図２は、蛍光複合体１６および反射層１５の断面写真である。図３は、比較例に係る蛍光体および反射層の断面写真である。

蛍光体層について、波長変換を行う蛍光体の母材としてＹＡＧなどの高い硬度を持つ材料を用いた場合、研磨時に砥粒による凹凸や割れ、欠けなどが生じる可能性がある。そのような荒れた面へ反射層を積層した場合、平滑度の高い反射層が得られず、蛍光体層から発せられる発光が反射層にて正反射され難くなる可能性がある。例えば、母材としてＹＡＧを用いた蛍光体層に直接、アルミニウム反射層を積層させた場合、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示したように、蛍光体層の表面の平滑度の低さにつられて反射層が柱状に配向して形成される。この柱状配向は蛍光体層の表面の凹凸や欠け、割れの影響によるものであり、平滑度の高い鏡面が蛍光体層の表面に形成されていないことを示す。

一方、蛍光体層１６Ｂ上に透明層１６Ａを形成し、透明層１６Ａ上に反射層１５を形成した場合には、蛍光体層１６Ｂの表面の凹凸や欠け、割れが透明層１６Ａによって埋め込まれ、平滑度の高い面が透明層１６Ａに形成されるので、その面に積層された反射層１５には、比較例のような柱状構造が大幅に削減されており、平滑度の高い鏡面が反射層１５に形成される。従って、反射層１５には、比較例のような反射層の機能低下はほとんど生じ得ない。

また、透明層１６Ａを設けることで、反射層１５の平滑度が向上するだけでなく、表面プラズモンによる干渉の影響を回避することも可能となる。表面プラズモンは特にＡｇもしくはＡｇ化合物を反射層１５に用いた場合に、蛍光体層１６Ｂに可視光が照射されることで誘起される。そのため、可視域の発光デバイス１０では、表面プラズモンによる干渉の影響が顕著に表れやすく、その影響を回避することが望ましい。そこで、Ａｇ反射層を用い、屈折率１．８３の蛍光体材料（例えば、ＹＡＧ）を用いた際の、蛍光体材料に含まれる発光分子が励起されることによって誘起される双極子と、蛍光体材料から発せられた蛍光と、蛍光体材料に照射した励起光が反射層に到達し反射層を構成するＡｇの表面に誘起される表面プラズモンとが干渉することで発生する蛍光寿命の変化について、ＣＰＳ理論から計算を行い、最適な透明材料の厚さを求めた。その結果を図４に示す。

図４において、横軸は透明層１６Ａの厚さであり、縦軸はプラズモンが発生していない場合の蛍光体発光寿命と、プラズモンの影響を受けた場合の蛍光体発光寿命との比率（発光寿命変動比率）である。蛍光体内の発光分子が励起され出現した双極子とＡｇ表面に発生したプラズモンが相互作用する際、双極子とプラズモンとの距離に応じて、発光寿命変動比率は図４に示したように増減する。発光寿命の相対的な減少は、蛍光体中の双極子からプラズモンへのエネルギー移転が発生することで発生するため、避けるべき現象である。よって、透明層１６Ａの厚さは、ＣＰＳ理論によって求められた図４のグラフのうち、蛍光体発光寿命比率が正へ振れている領域の厚さとなっていることが望ましい。具体的には、透明層１６Ａの厚さは、５ｎｍ以上１８５ｎｍ以下、２１０ｎｍ以上３２５ｎｍ以下、３７０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、または５２５ｎｍ以上６１５ｎｍ以下となっていることが望ましい。

なお、蛍光体発光寿命比率が正となるというのは、表面プラズモンにより干渉（パーセル効果）により、蛍光寿命が長くなったことを意味する。また、蛍光体発光寿命比率がゼロとなるというのは、表面プラズモンにより干渉（パーセル効果）の影響がない、つまり、蛍光寿命が変化しないことを意味する。また、蛍光体発光寿命比率が負となるというのは、表面プラズモンにより干渉（パーセル効果）により、蛍光寿命が短くなった、つまり、非輻射遷移が増加したことを意味する。

また、発光寿命が反射層１５の無い場合に比べ長いということは、蛍光体の発光が比較的長時間持続するということに対応するため、透明層１６Ａを、上記変動比率曲線のうち、より数値が正に振れた変動比率を有する厚さにすることが望ましい。加えて、反射層１５と蛍光体層１６Ｂとの距離が透明層１６Ａによって離れれば離れるほど、蛍光体層１６Ｂから発せられた蛍光が透明層１６Ａによる吸収・散乱などの影響で反射層１５へ到達し難くなったり、反射層１５で反射されて蛍光体層１６Ｂの外へ放出され難くなったりする可能性がある。そのため、透明層１６Ａの厚さは可能な限り薄いことが望ましい。よって、ＣＰＳ理論から導かれた透明層１６Ａの適切な層の厚さのうち、できるだけ薄い厚さを選択することが望ましい。よって、表面プラズモンによる干渉の影響を抑制するために望まれる透明層１６Ａの厚さは、５ｎｍ以上１８５ｎｍ以下である。

上記結果は蛍光材料の屈折率が１．８３の場合に適応される、透明層１６Ａの厚さを求めたものである。しかし、蛍光体材料の屈折率が変わった場合についても、ＣＰＳ理論から適した厚さを求めることが可能である。例として、蛍光体材料の屈折率が１．５の場合の計算結果を図５に示し、蛍光体材料の屈折率が２．２の場合の計算結果を図６に示す。

蛍光材料の屈折率が１．５のとき、表面プラズモンによる干渉の影響を抑制し、かつ薄さを維持するために適した領域は、６．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または７０ｎｍ以上２３３０ｎｍ以下である。また、蛍光材料の屈折率が２．２のとき、表面プラズモンによる干渉の影響を抑制し、かつ薄さを維持するために適した領域は、０ｎｍよりも大きく、２８０ｎｍ以下である。図４、図５、図６からは、蛍光体発光寿命比率は屈折率が増えるとともに正の領域になる領域が増えており、透明層１６Ａの厚さの適した範囲は広がる傾向にある。

なお、反射層１５の材料としてＡｌもしくはＡｌ化合物を用いた場合には、表面プラズモンによる干渉が発生したとしても、可視領域の光とは相互作用し難いため、透明層１６Ａの厚さとして、表面プラズモンによる干渉の影響を考慮する必要はない。しかし、配向性向上を目的とする場合には、透明層１６Ａの厚さを３０ｎｍ以上とすることが望ましい。

Ａｇ、Ａｌ、Ａｇを含む化合物、またはＡｌを含む化合物を反射層１５として用いる場合の透明層１６Ａの厚さは、スパッタや蒸着を用いて透明層１６Ａや反射層１５を成膜する場合、成膜時間との兼ね合いで、1μｍ以下となっていることが望ましい。

[効果]
次に、本実施の形態に係る発光デバイス１０の効果について説明する。

近年、プロジェクタや、照明、ヘッドライトなどの光学製品において、高輝度化が進んでいる。従来、このような光学製品では、光源として水銀ランプやハロゲンランプ、ＬＥＤが用いられていた。しかし、高輝度化に伴い、蛍光体およびレーザを用いた光源が検討されている。この光源では、例えば、蛍光体にレーザ光を励起光として照射し、それにより得られる蛍光とレーザ光との合成光が出射光として利用される。

しかし、蛍光体およびレーザを用いた光源では、入力および出力のパワーが非常に大きい。そのため、わずかなエネルギーロスであっても、そのエネルギーロスで発生した熱によって、蛍光体が発熱し、発光強度が著しく減少する、温度消光という現象が発生する。また、発熱は、蛍光体にとって寿命を縮める要因ともなる。そこで、蛍光体を回転機構に取り付け、励起光を照射する時に蛍光体を回転させ、照射面を断続的に移動させることで単位面積当たりの照射時間を短縮し、温度消光の発生を抑制することが考えられる。しかし、この方法では、回転機構を設けたことによる光学製品の機構的信頼性の低下、大型化、高騒音化が課題となる。そこで、蛍光体を回転させる代わりに、蛍光体の裏面に放熱基板を貼り合わせ、蛍光体で発生した熱を放熱基板へ逃がすことが考えられる（例えば、特許文献１～３参照）。

ところで、蛍光体から発せられた蛍光が放熱基板に吸収されるのを避けるため、蛍光体と放熱基板との間に反射層が設けられる。しかし、単に反射層を設けただけでは、発光効率がさほど向上しない場合があった。発光効率がさほど向上しない原因は、主に２つある。

１つ目は、反射層に生じる柱状配向である。蛍光体層について、波長変換を行う蛍光体の母材としてＹＡＧなどの高い硬度を持つ材料を用いた場合、研磨時に砥粒による凹凸や割れ、欠けなどが生じる可能性がある。そのような荒れた面へ反射層を積層した場合、蛍光体層の表面の平滑度の低さにつられて反射層が柱状に配向して形成される。反射層が柱状に配向すると、反射層で正反射し難くなり、発光効率が低下する可能性がある。従って、反射層に生じる柱状配向を低減することが、発光効率の向上にとって重要である。

２つ目は、蛍光体と反射層との距離が近いために、表面プラズモンによる干渉の影響を受け、発光状態に変化が生じる場合である。蛍光現象による発光では、発光分子は励起エネルギーを照射されることで双極子となる。また、蛍光現象による発光及び励起光が金属層へ到達することで発生する表面プラズモンも、発光層にある発光分子同様、双極子として振る舞う。このとき、発光層に発生した双極子と金属性反射層表面の表面プラズモンとで干渉が発生する。この干渉は、発光分子と表面プラズモンとの間の距離に応じて、発光分子から表面プラズモンへエネルギー移動が生じることで発光分子の発光寿命に変化が生じる場合がある。特に銀反射膜における蛍光現象による発光との相互作用はＣＰＳ理論として知られており、銀反射膜上に誘起される表面プラズモンが発光分子の蛍光寿命に及ぼす影響が調べられている(非特許文献「R.R. Chance, A. Prock, and R., Silbey:"Life time of an emitted molecule near a partially reflecting surfaces, " J. Chem. Phys, 60, 2744-2748 (1974)」)。

ＣＰＳ理論によると、蛍光現象による発光の寿命は銀反射層境界から発光分子までの位置の関数として極大極小を繰り返す。このような表面プラズモンによる発光分子の蛍光寿命への影響は、発光寿命の変化だけにとどまらず、発光の特性を変化させる可能性があるため回避すべき現象である。特に、発光寿命が短縮した場合は発光分子から表面プラズモン分子へエネルギー移動が発生し、発光量の減少につながるなどの影響を及ぼす可能性があり回避するべきである。

そこで、本発明では、これらの事情を考慮し、表面プラズモンによる影響を可能な限り排除し、かつ蛍光体を高効率かつ長期的な耐候性を担保するための構造を備えた発光デバイスを提案する。

具体的には、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、蛍光体層１６Ｂと反射層１５との間に、蛍光体層１６Ｂの裏面（励起光照射面１０Ａとは反対側の面）の凹凸よりも小さな凹凸の表面を裏面（励起光照射面１０Ａとは反対側の面）に有する透明層１６Ａが設けられている。これにより、平坦性の高い透明層１６Ａに反射層１５を形成したときに、蛍光体層１６Ｂの裏面に直接、反射層を形成したときに形成されるような柱状配向が反射層１５に形成されるのを低減することができる。その結果、反射層１５で正反射し易くなるので、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、蛍光体層１６Ｂは、蛍光物質を含む単結晶、または、蛍光物質と、蛍光物質とは異なる組成の材料との共晶もしくは焼成体で構成されている。このとき、蛍光体層１６Ｂと反射層１５との間に、蛍光体層１６Ｂの裏面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を裏面に有する透明層１６Ａが設けられているので、柱状配向が反射層１５に形成されるのを低減することができる。その結果、反射層１５で正反射し易くなるので、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、反射層１５が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｇを含む化合物、または、Ａｌを含む化合物で構成されている場合には、高反射率の反射層１５を実現することができる。その結果、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、透明層１６Ａが、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、オキシ窒化ケイ素（ＳｉＯ_xＮ_y）、ホウ素酸化物（Ｂ_xＯ_y）またはアルミニウム酸化物（Ａｌ_xＯ_y）で構成されている場合には、透明層１６Ａをスパッタもしくは蒸着で形成することが可能である。スパッタもしくは蒸着で透明層１６Ａを形成した場合、透明層１６Ａの厚さを、蛍光体層１６Ｂの裏面の凹凸の高さよりも厚く形成することで、透明層１６Ａの裏面を蛍光体層１６Ｂの裏面よりも平坦化することができる。その結果、反射層１５で正反射し易くなるので、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、透明層１６Ａの厚さが５ｎｍ以上１μｍ以下となっている場合には、スパッタもしくは蒸着を用いて、透明層１６Ａを容易に形成することができる。これにより、透明層１６Ａの裏面を蛍光体層１６Ｂの裏面よりも平坦化することができ、反射層１５で正反射し易くなるので、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、透明層１６Ａは、反射層１５に誘起される表面プラズモンによる干渉によって発光寿命変動比率が正となる範囲内の厚さとなっている場合には、蛍光体の発光が比較的長時間持続する。これにより、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、反射層１５がＡｇまたはＡｇを含む化合物で構成され、透明層１６Ａが酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）で構成され、蛍光体層１６Ｂが、Ｃｅが添加されたＹＡＧ単結晶もしくはＹＡＧ多結晶と、サファイア単結晶もしくはサファイア多結晶との共晶で構成されている場合に、透明層１６Ａの厚さが５ｎｍ以上１８５ｎｍ以下、２１０ｎｍ以上３２５ｎｍ以下、３７０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、または５２５ｎｍ以上６１５ｎｍ以下となっているときには、蛍光体の発光が比較的長時間持続する。これにより、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０において、反射層１５がＡｌまたはＡｌを含む化合物で構成され、透明層１６Ａが酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）で構成されている場合に、透明層１６Ａの厚さが５ｎｍ以上１μｍ以下となっているときには、蛍光体の発光が比較的長時間持続する。これにより、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、放熱基板１１が設けられている。これにより、蛍光体層１６Ｂにおいて発生した熱を効率よく排熱することができるので、温度消光の発生を抑制することができる。その結果、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、反射層１５と接合層１２との間に、チタン（Ｔｉ）およびチタン化合物のうち少なくとも一方を含む拡散防止層１４が設けられている。これにより、接合層１２や放熱基板１１に含まれる金属材料が反射層１５に拡散し、反射層１５を変性させるのを防止することができる。その結果、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る発光デバイス１０では、拡散防止層１４と接合層１２との間に密着性向上層１３が設けられている。これにより、蛍光複合体１６、反射層１５および拡散防止層１４を含む積層体と、接合層１２との密着性が向上するので、蛍光体層１６Ｂにおいて発生した熱を効率よく排熱することができ、温度消光の発生を抑制することができる。その結果、発光デバイス１０の発光効率を向上させることができる。

＜２．適用例＞
以下に、上記実施の形態の発光デバイス１０の適用例について説明する。なお、以下では、上記実施の形態と共通の構成要素に対しては、上記実施の形態で付されていた符号と同一の符号が付される。また、上記実施の形態と異なる構成要素の説明を主に行い、上記実施の形態と共通の構成要素の説明については、適宜、省略するものとする。

[適用例Ａ]
図７は、上記実施の形態の発光デバイス１０を備えた光源デバイス１００の概略構成例を表したものである。光源デバイス１００は、例えば、発光デバイス１０、レンズ２０および青色励起光源３０を備えている。青色励起光源３０は、例えば、青色光Ｌｂを出射するレーザである。青色励起光源３０は、発光デバイス１０の励起光照射面１０Ａに青色光Ｌｂを照射することの可能な位置に配置されている。光源デバイス１００において、発光デバイス１０は、青色励起光源３０から青色光Ｌｂが照射されると、黄色光Ｌｙ（蛍光）を放射する蛍光体層１６Ｂを含んで構成されている。レンズ２０は、発光デバイス１０で反射された青色光Ｌｂと、発光デバイス１０から放射された黄色光Ｌｙとを合成するとともに集光し、疑似白色光Ｌｗをコリメート光として外部に出力する光学部品である。このように、本適用例では、光源デバイス１００に発光デバイス１０が用いられる。これにより、光源デバイス１００から疑似白色光Ｌｗを高出力で出力することが可能である。

[適用例Ｂ]
図８は、上記実施の形態の発光デバイス１０を備えた光源デバイス２００の概略構成例を表したものである。光源デバイス２００は、例えば、発光デバイス１０、リフレクタ４０および青色励起光源３０を備えている。光源デバイス２００において、発光デバイス１０は、青色励起光源３０から青色光Ｌｂが照射されると、黄色光Ｌｙを放射する蛍光体層１６Ｂを含んで構成されている。青色励起光源３０は、例えば、青色光Ｌｂを出射するレーザである。リフレクタ４０は、放物曲面を有する反射鏡を有しており、反射鏡の焦点の位置に、発光デバイス１０が配置されている。発光デバイス１０は、励起光照射面１０Ａが反射鏡の放物曲面の原点と正対するように配置されており、反射鏡の放物曲面の原点には、開口が設けられている。青色励起光源３０は、反射鏡の開口を介して発光デバイス１０に青色光Ｌｂを照射することの可能な位置に配置されている。リフレクタ４０は、発光デバイス１０で反射された青色光Ｌｂと、発光デバイス１０から放射された黄色光Ｌｙとを反射鏡で反射するとともに合成し、疑似白色光Ｌｗをコリメート光として外部に出力する光学部品である。本適用例では、光源デバイス２００に発光デバイス１０が用いられている。これにより、光源デバイス２００から疑似白色光Ｌｗを高出力で出力することが可能である。

[適用例Ｃ]
図９は、上記適用例Ａに係る光源デバイス１００の概略構成の一変形例を表したものである。図１０は、上記適用例Ｂに係る光源デバイス２００の概略構成の一変形例を表したものである。本適用例では、光源デバイス１００，２００は、発光デバイス１０で反射された青色光Ｌｂと、発光デバイス１０から放射された黄色光Ｌｙとの合成光に含まれる青色光Ｌｂを遮断もしくは減衰し、黄色光Ｌｙを選択的に透過するフィルタ５０を備えている。本適用例では、フィルタ５０が設けられていることにより、光源デバイス１００，２００からは、黄色光Ｌｙが外部に出力される。本適用例では、光源デバイス１００，２００には発光デバイス１０が用いられている。これにより、光源デバイス１００，２００から黄色光Ｌｙを高出力で出力することが可能である。

[適用例Ｄ]
図１１は、上記適用例Ａに係る光源デバイス１００の概略構成の一変形例を表したものである。図１２は、上記適用例Ｂに係る光源デバイス２００の概略構成の一変形例を表したものである。本適用例では、光源デバイス１００，２００は、青色励起光源３０の他に、赤色光源６０を備えている。赤色光源６０は、例えば、赤色光Ｌｒを出射するレーザである。赤色光源６０は、発光デバイス１０の励起光照射面１０Ａに赤色光Ｌｒを照射することの可能な位置に配置されている。

レンズ２０は、発光デバイス１０で反射された青色光Ｌｂおよび赤色光Ｌｒと、発光デバイス１０から放射された黄色光Ｌｙとを合成するとともに集光し、疑似白色光Ｌｗをコリメート光として外部に出力する光学部品である。リフレクタ４０は、発光デバイス１０で反射された青色光Ｌｂおよび赤色光Ｌｒと、発光デバイス１０から放射された黄色光Ｌｙとを反射鏡で反射するとともに合成し、疑似白色光Ｌｗをコリメート光として外部に出力する光学部品である。

本適用例では、光源デバイス１００，２００には発光デバイス１０が用いられている。これにより、光源デバイス１００，２００から疑似白色光Ｌｗを高出力で出力することが可能である。また、本適用例では、赤色光源６０が設けられているので、上記変形例Ａ，Ｂと比べて、演色性を格段に向上させることができる。

[適用例Ｅ]
図１３は、上記適用例Ａ～Ｄに係る光源デバイス１００，２００を備えた電子機器１０００の概略構成例を表したものである。電子機器１０００は、例えば、プロジェクタ、照明、ヘッドライト、サーチライト、内視鏡などの光学製品である。電子機器１０００は、例えば、図１３に示したように、上記適用例Ａ～Ｄに係る光源デバイス１００，２００と、上記適用例Ａ～Ｄに係る光源デバイス１００，２００から入力された光（疑似白色光Ｌｗ，黄色光Ｌｙ）を光学的に処理し、それにより得られた光を出力光Ｌｏｕｔとして外部に出力する光学系３００とを備えている。電子機器１０００は、さらに、例えば、図１３に示したように、上記適用例Ａ～Ｄに係る光源デバイス１００，２００や、光学系３００を制御する制御部４００を備えている。本適用例では、電子機器１０００には上記適用例Ａ～Ｄに係る光源デバイス１００，２００が用いられている。これにより、電子機器１０００から高出力の出力光Ｌｏｕｔを出力することが可能である。

１０…発光デバイス、１０Ａ…励起光照射面、１１…放熱基板、１２…接合層、１３…密着性向上層、１４…拡散防止層、１５…反射層、１６…蛍光複合体、１６Ａ…透明層、１６Ｂ…蛍光体層、２０…レンズ、３０…青色励起光源、４０…リフレクタ、５０…フィルタ、６０…赤色光源、１００，２００…光源デバイス、３００…光学系、４００…制御部、１０００…電子機器、Ｌｂ…青色光、Ｌｒ…赤色光、Ｌｙ…黄色光、Ｌｗ…疑似白色光。

Claims (13)

1. 励起光照射面を有し、前記励起光照射面に照射された励起光により蛍光を発する蛍光体層と、
   前記蛍光体層から発せられた前記蛍光を前記励起光照射面に向かって反射する反射層と、
   前記蛍光体層と前記反射層との間に設けられ、前記蛍光体層の、前記反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を前記反射層側に有する透明層と
   を備えた
   発光デバイス。
2. 前記蛍光体層は、蛍光物質を含む単結晶、または、蛍光物質と、蛍光物質とは異なる組成の材料との共晶もしくは焼成体で構成されている
   請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記反射層が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｇを含む化合物、または、Ａｌを含む化合物で構成されている
   請求項１または請求項２に記載の発光デバイス。
4. 前記透明層が、酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、ホウ素酸化物またはアルミニウム酸化物で構成されている
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光デバイス。
5. 前記透明層の厚さが５ｎｍ以上１μｍ以下となっている
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光デバイス。
6. 前記透明層は、前記反射層に誘起される表面プラズモンによる干渉によって発光寿命変動比率が正となる範囲内の厚さとなっている
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
7. 前記反射層がＡｇまたはＡｇを含む化合物で構成され、
   前記透明層が酸化ケイ素で構成され、
   前記蛍光体層が、Ｃｅが添加されたＹＡＧ単結晶もしくはＹＡＧ多結晶と、サファイア単結晶もしくはサファイア多結晶との共晶で構成され、
   前記透明層の厚さが５ｎｍ以上１８５ｎｍ以下、２１０ｎｍ以上３２５ｎｍ以下、３７０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、または５２５ｎｍ以上６１５ｎｍ以下となっている
   請求項６に記載の発光デバイス。
8. 前記反射層がＡｌまたはＡｌを含む化合物で構成され、
   前記透明層が酸化ケイ素で構成され、
   前記透明層の厚さが５ｎｍ以上１μｍ以下となっている
   請求項６に記載の発光デバイス。
9. 前記蛍光体層で発生した熱を排熱する放熱基板を更に備えた
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の発光デバイス。
10. 前記蛍光体層、前記透明層および前記反射層を含む積層体と、前記放熱基板とを互いに接合する接合層と、
    前記反射層と前記接合層との間に設けられ、ＴｉおよびＴｉ化合物のうち少なくとも一方を含むチタン層と
    を更に備えた
    請求項９に記載の発光デバイス。
11. 前記チタン層と前記接合層との間に設けられたＡｕ層を更に備えた
    請求項１０に記載の発光デバイス。
12. 蛍光を発する光源デバイスと、
    前記光源デバイスに励起光を照射する励起光源と、
    前記光源デバイスから発せられた前記蛍光と、前記光源デバイスで反射された前記励起光とを合成するとともに集光するレンズと
    を備え、
    前記光源デバイスは、
    励起光照射面を有し、前記励起光照射面に照射された前記励起光により前記蛍光を発する蛍光体層と、
    前記蛍光体層から発せられた前記蛍光を前記励起光照射面に向かって反射する反射層と、
    前記蛍光体層と前記反射層との間に設けられ、前記蛍光体層の、前記反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を前記反射層側に有する透明層と
    を有する
    光源デバイス。
13. 蛍光を発する光源デバイスと、
    前記光源デバイスに励起光を照射する励起光源と、
    前記光源デバイスから発せられた前記蛍光と、前記光源デバイスで反射された前記励起光とを反射するとともに合成するリフレクタと
    を備え、
    前記光源デバイスは、
    励起光照射面を有し、前記励起光照射面に照射された前記励起光により前記蛍光を発する蛍光体層と、
    前記蛍光体層から発せられた前記蛍光を前記励起光照射面に向かって反射する反射層と、
    前記蛍光体層と前記反射層との間に設けられ、前記蛍光体層の、前記反射層側の表面の凹凸よりも小さな凹凸の表面を前記反射層側に有する透明層と
    を有する
    光源デバイス。

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