JP4401264B2 - Phosphor, method for manufacturing the same, and light emitting device - Google Patents

Phosphor, method for manufacturing the same, and light emitting device Download PDF

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Description

本発明は、蛍光体およびその製造方法ならびに発光装置に関する。なお、このような蛍光体および発光装置は、たとえば、フルカラーの表示装置や液晶パネルのバックライトなどの照明装置に用いられる。   The present invention relates to a phosphor, a manufacturing method thereof, and a light emitting device. Such phosphors and light emitting devices are used for illumination devices such as full color display devices and liquid crystal panel backlights, for example.

蛍光体とこれを励起する光源としての発光素子とを含む表示装置および照明装置として、蛍光体として励起子ボーア半径の2倍以下でかつ異なる粒径を有する2ないし3のZnCdSe半導体と、これを励起する光源としてGaN系半導体の発光素子とを含み、励起光源から発せられる励起光により蛍光体を励起して、緑と赤、あるいは緑と赤と青の2次光に変換し、これらを混色して白色発光を得る表示装置あるいは照明装置が提案されている(たとえば、特許文献1を参照)。   As a display device and an illumination device including a phosphor and a light-emitting element as a light source for exciting the phosphor, 2 to 3 ZnCdSe semiconductors having a particle size that is not more than twice the exciton Bohr radius and different from each other, and It includes a GaN-based semiconductor light-emitting element as a light source for excitation, and excites a phosphor with excitation light emitted from the excitation light source to convert it into secondary light of green and red, or green, red and blue, and mix these colors Thus, a display device or a lighting device that obtains white light emission has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

上記特許文献1には、また、上記半導体の表面はダングリングボンド(未結合手)が支配的であるため、半導体をそのバンドギャップ(バンド間のエネルギーギャップをいう、以下同じ)より大きなバンドギャップを有する材料で覆うことにより、半導体の表面欠陥をキャッピングする技術が記載されている。その一例として、ZnCdSe半導体の表面をZnSで覆った蛍光体が開示されている。   In Patent Document 1, since the surface of the semiconductor is dominated by dangling bonds (unbonded hands), the semiconductor has a band gap larger than its band gap (referred to below as the energy gap between bands, the same applies hereinafter). A technique for capping semiconductor surface defects by covering with a material having the following is described. As an example, a phosphor in which the surface of a ZnCdSe semiconductor is covered with ZnS is disclosed.

このような所謂「表面修飾」の手法は、非放射遷移を抑止して量子閉じ込め効果を増大させるのに有効な手法であり、特許文献1の手法の他にも、カルボキシル基やリン酸基を有する有機酸や界面活性剤で表面を被覆することによって発光効率(発光の際の量子効率をいう、以下同じ)を向上させる手法が提案されている(たとえば、非特許文献1を参照)。   Such a so-called “surface modification” method is an effective method for suppressing the non-radiative transition and increasing the quantum confinement effect. In addition to the method of Patent Document 1, a carboxyl group or a phosphate group is used. There has been proposed a technique for improving the light emission efficiency (referred to as quantum efficiency at the time of light emission, hereinafter the same) by coating the surface with an organic acid or a surfactant that is included (see, for example, Non-Patent Document 1).

しかし、上記の表面修飾手法は、蛍光体と付活される修飾剤が異なる性質の材料で構成されているため、蛍光体となる半導体の微結晶生成とは別に表面修飾プロセスが必要となる。   However, the above surface modification technique requires a surface modification process separately from the generation of microcrystals of the semiconductor that becomes the phosphor because the phosphor and the modifier to be activated are made of different materials.

たとえば、ZnSで被覆されたCdSe半導体微結晶の製造には、まずCdSe半導体微結晶を作製した後、これを酢酸亜鉛と硫化ナトリウムを含む媒体中に投入し反応させる必要がある。また、有機酸や無機ガラスで修飾する場合でも、まず蛍光体となる半導体の微結晶を作製した後に共沈法や逆ミセル法などでこれらを吸着させる必要がある。   For example, in order to produce a CdSe semiconductor microcrystal coated with ZnS, it is necessary to first produce a CdSe semiconductor microcrystal and then put it into a medium containing zinc acetate and sodium sulfide to react. Further, even when modifying with an organic acid or inorganic glass, it is necessary to first produce semiconductor microcrystals to be phosphors and then adsorb them by a coprecipitation method or a reverse micelle method.

これらの手法は蛍光体の製造に手間となる上にコストがかかる。特に、蛍光体を構成する微結晶がCVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相堆積)法やPLD(Pulse Laser Deposition;パルスレーザ堆積)法などで気相成長される場合、薬剤を用いた化学合成による表面修飾法は、生産性を著しく低下させる。   These methods are laborious and expensive to manufacture the phosphor. In particular, when the microcrystals constituting the phosphor are vapor-phase grown by CVD (Chemical Vapor Deposition) method or PLD (Pulse Laser Deposition) method, chemical synthesis using chemicals is used. Surface modification methods significantly reduce productivity.

さらに、上記の表面修飾法による発光効率の向上は、ZnCdSe、ZnSなどの半導体の微結晶を用いた蛍光体では効果が確認されているものの、II−VI族化合物半導体は信頼性および環境負荷に懸念を有しており、その他の化合物半導体材料では表面修飾の効果およびその形成手法は未だ確立されていない。
特開平11−340516号公報 磯部,「有機/無機複合型ZnS:Mnナノクリスタル蛍光体の発光機構と局所解析」,表面科学,日本表面科学会,2001年5月1日,第22巻,第5号,p.315−322
Furthermore, the improvement in luminous efficiency by the above surface modification method has been confirmed to be effective for phosphors using semiconductor microcrystals such as ZnCdSe and ZnS, but II-VI group compound semiconductors are not reliable and environmentally friendly. In other compound semiconductor materials, the effect of surface modification and the formation method thereof have not been established yet.
JP 11-340516 A Isobe, “Luminescence mechanism and local analysis of organic / inorganic composite ZnS: Mn nanocrystal phosphor”, Surface Science, Japan Surface Science Society, May 1, 2001, Vol. 22, No. 5, p. 315-322

本発明は、上記状況に鑑み、簡便な製造方法で発光効率(発光の際の内部量子効率をいう、以下同じ)が高く信頼性に優れた蛍光体およびその製造方法ならびに発光装置を提供することを目的とする。   In view of the above-described circumstances, the present invention provides a phosphor with high emission efficiency (referred to as internal quantum efficiency during light emission, hereinafter the same) and high reliability with a simple manufacturing method, a manufacturing method thereof, and a light emitting device. With the goal.

本発明は、III族窒化物半導体からなる母体半導体が、母体半導体をなすIII族化合物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなりIII族窒化物半導体のバンドギャップ(バンド間のエネルギーギャップをいう、以下同じ)よりも大きいバンドギャップを有する外層により被覆されており、母体半導体には発光中心が添加され、母体半導体に吸収された励起光のエネルギーが発光中心に遷移して、発光中心が軌道電子の殻内遷移により発光する蛍光体である。 In the present invention, a base semiconductor composed of a group III nitride semiconductor is composed of an oxide of a group III element constituting a group III compound semiconductor constituting the base semiconductor, and the band gap of the group II nitride semiconductor (the energy gap between the bands is defined). say, the same below) is covered by an outer layer that have a band gap greater than, the host semiconductor luminescent center is added, the energy of the excitation light absorbed in the matrix semiconductor transits the luminescent center, It is a phosphor whose luminescence center emits light by intraorbital transition of orbital electrons.

本発明にかかる蛍光体において、上記母体半導体の粒径が、励起子ボーア半径の2倍以下であることが好ましい。ここで、上記発光中心は遷移元素からなる群から選択される少なくとも1の元素であること、さらに、上記遷移元素は希土類元素であることが好ましい。 In the phosphor according to the present invention, the particle size of the upper Symbol host semiconductor is preferably less than twice the exciton Bohr radius. Here, the emission center is preferably at least one element selected from the group consisting of transition elements, and the transition element is preferably a rare earth element.

また、本発明にかかる蛍光体において、上記母体半導体をなすIII族窒化物半導体は、III族元素として少なくともInを含む窒化物半導体であることが好ましい。また、上記母体半導体をなすIII族窒化物半導体は、その吸収端の波長が420nmとなるようにIn組成比が調整されていることが好ましい In the phosphor according to the present invention, the group III nitride semiconductor forming the base semiconductor is preferably a nitride semiconductor containing at least In as a group III element. In addition, the Group III nitride semiconductor forming the base semiconductor preferably has an In composition ratio adjusted so that the wavelength of the absorption edge is 420 nm .

本発明は、上記の蛍光体の製造方法であって、III族窒化物半導体からなる母体半導体をレーザアブレーション法により形成する工程と、母体半導体に酸素を供給することにより、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層で母体半導体を被覆する工程とを含む蛍光体の製造方法である。 The present invention provides a method for producing the above phosphor, comprising a step of forming a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor by a laser ablation method, and supplying oxygen to the base semiconductor, thereby forming a group III nitride semiconductor. And a step of coating a base semiconductor with an outer layer made of a Group III element oxide.

また、本発明は、上記の蛍光体の製造方法であって、III族窒化物半導体からなる母体半導体を化学合成法により形成する工程と、母体半導体を媒体中で酸化することにより、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層で母体半導体を被覆する工程とを含む蛍光体の製造方法である。 The present invention also relates to a method for producing the above-described phosphor, comprising a step of forming a base semiconductor composed of a group III nitride semiconductor by a chemical synthesis method, and oxidizing the base semiconductor in a medium, thereby And a step of coating a base semiconductor with an outer layer made of an oxide of a group III element constituting a physical semiconductor.

本発明は、上記の蛍光体のうち励起によりピーク波長が600nm〜670nmの範囲にある赤色を呈する赤色蛍光体と、III族窒化物半導体からなる母体半導体と、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなり母体半導体を被覆する外層と、を有し励起によりピーク波長が500nm〜540nmの範囲にある緑色を呈する緑色蛍光体と、を含み、上記赤色蛍光体および緑色蛍光体を青色発光素子とともに励起して混色することにより白色発光を得る発光装置である。 The present invention has a peak wavelength by Uchi励 force of the phosphor constituting a red phosphor that exhibits red in the range of 600Nm~670nm, and maternal semiconductor formed of a group III nitride semiconductor, the group III nitride semiconductor An outer layer made of an oxide of a group III element and covering a base semiconductor, and a green phosphor exhibiting a green color having a peak wavelength in the range of 500 nm to 540 nm by excitation , and the red phosphor and the green phosphor Is a light emitting device that emits white light by exciting and mixing with a blue light emitting element.

本発明にかかる発光装置において、III族窒化物半導体からなる母体半導体と、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなり母体半導体を被覆する外層と、を有し励起によりピーク波長が420nm〜480nmの範囲にある青色を呈する青色蛍光体をさらに含み、上記赤色蛍光体、緑色蛍光体および青色蛍光体を上記青色発光素子とともに励起して混色することが好ましい。 In the light emitting device according to the present invention, a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor and an outer layer made of an oxide of a group III element constituting the group III nitride semiconductor and covering the base semiconductor have a peak wavelength by excitation. It is preferable that the phosphor further includes a blue phosphor exhibiting a blue color in a range of 420 nm to 480 nm, and the red phosphor, the green phosphor, and the blue phosphor are excited and mixed with the blue light emitting element.

上記のように、本発明によれば、簡便な製造方法で発光効率が高く信頼性に優れた蛍光体およびその製造方法ならびに発光装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a phosphor with high emission efficiency and high reliability, a method for manufacturing the same, and a light emitting device by a simple manufacturing method.

本発明にかかる一の蛍光体は、図1を参照して、III族窒化物半導体からなる母体半導体11が、III族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する酸化物からなる外層13により被覆されている。本蛍光体は、III族窒化物半導体からなる母体半導体の微結晶で形成されているので、CdSeやZnSなど従来のII−VI族化合物半導体の微結晶に比べて環境負荷が低く化学的に安定である。また、本蛍光体は、酸化物からなる外層が、微結晶の表面欠陥をキャッピングするので無放射遷移が抑制され、母体半導体の粒径を、量子サイズ効果を有する程度に小さくしても、発光効率の低下を抑制できる。このことにより、発光効率が高く信頼性に優れた蛍光体を得ることができる。   Referring to FIG. 1, one phosphor according to the present invention includes an outer layer 13 made of an oxide in which a base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor has a band gap larger than the band gap of the group III nitride semiconductor. It is covered with. Since this phosphor is formed of a base semiconductor microcrystal made of a group III nitride semiconductor, it has a lower environmental impact and is chemically stable compared to conventional II-VI compound semiconductor microcrystals such as CdSe and ZnS. It is. In addition, since the outer layer made of oxide capping the surface defects of the microcrystal, this phosphor suppresses non-radiative transition, and even when the particle size of the base semiconductor is made small enough to have a quantum size effect, the phosphor emits light. Reduction in efficiency can be suppressed. As a result, a phosphor with high luminous efficiency and excellent reliability can be obtained.

本発明にかかる一の蛍光体の母体半導体には、図1に示すような発光中心12が添加されていることが好ましい。発光中心12として添加された元素の殻内遷移による発光は、母体半導体および外層からなる蛍光体での自己吸収が無く発光効率が高い。また発光中心となる添加元素の種類によって遷移エネルギーが異なるため、不純物を適宜選択することにより所定の発光波長に制御できる。このことにより、高い効率を有する発光を所望の波長で得ることができる。   It is preferable that a luminescent center 12 as shown in FIG. 1 is added to the phosphor base semiconductor according to the present invention. Light emission due to intra-shell transition of the element added as the light emission center 12 is high in luminous efficiency because there is no self-absorption in the phosphor composed of the base semiconductor and the outer layer. In addition, since the transition energy varies depending on the type of the additive element serving as the emission center, it can be controlled to a predetermined emission wavelength by appropriately selecting impurities. As a result, light emission with high efficiency can be obtained at a desired wavelength.

本発明にかかる一の蛍光体の発光機構は、図1および図2を参照して、以下のように説明される。蛍光体の本体であるIII族窒化物半導体からなる母体半導体11を励起する励起光のエネルギーは、外層13のバンドギャップより小さいため、外層13を透過して母体半導体11によって吸収される。添加された発光中心12に、母体半導体11に吸収されたエネルギーが遷移すると、発光中心12は軌道電子の殻内遷移により発光する。外層13は、母体半導体11からの発光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するので、発光は自己吸収されることなく蛍光体外へ放射される。このようにして、発光効率の高い蛍光体が得られる。   The light emission mechanism of one phosphor according to the present invention will be described as follows with reference to FIG. 1 and FIG. The energy of the excitation light that excites the base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor, which is the main body of the phosphor, is smaller than the band gap of the outer layer 13, so that it passes through the outer layer 13 and is absorbed by the base semiconductor 11. When the energy absorbed by the base semiconductor 11 transitions to the added emission center 12, the emission center 12 emits light due to orbital electron transition in the shell. Since the outer layer 13 has a band gap larger than the energy of light emission from the base semiconductor 11, the light emission is emitted outside the phosphor without being self-absorbed. In this way, a phosphor with high luminous efficiency can be obtained.

また、本発明にかかる一の蛍光体において、上記母体半導体の粒径が、励起子ボーア半径の2倍以下であることが好ましい。母体半導体の粒径が励起子ボーア半径の2倍以下であれば、量子サイズ効果が顕著となり、母体半導体と発光中心との電子軌道カップリングが増大するため発光効率が増大する。ここで、励起子ボーア半径とは励起子の存在確率の広がりを示すもので、4πεh2/me2(但し、εは誘電率、hはプランク定数、mは有効質量、eは電荷素量を表わす)で表わされる。なお、母体半導体がIII族窒化物半導体の場合、たとえば、GaN半導体の励起子ボーア半径は約3nm、InN半導体の励起子ボーア半径は約7nmである。さらに、上記母体半導体の粒径は、ボーア半径の1/2倍以上3/2倍以下であるのがより好ましい。母体半導体の粒径が小さくなるほど量子効果が顕著となり、特にボーア半径の3/2倍以下であれば内部量子効率がさらに顕著に増大するので好ましい。一方、量子効果が大きくなりすぎると、母体半導体の粒径によって発光波長が大きく変化し制御が困難となるため、ボーア半径の1/2倍以上であることが好ましい。たとえば、GaN半導体からなる母体半導体の粒径は1.5nm〜4.5nmであることが好ましく、InN半導体からなる母体半導体の粒径は3.5nm〜10.5nmであることが好ましい。 In the phosphor according to the present invention, it is preferable that a particle diameter of the base semiconductor is not more than twice the exciton Bohr radius. If the particle size of the host semiconductor is less than or equal to twice the exciton Bohr radius, the quantum size effect becomes remarkable, and the electron orbit coupling between the host semiconductor and the emission center increases, so that the light emission efficiency increases. Here, the exciton Bohr radius indicates the spread of the existence probability of the exciton, and 4πεh 2 / me 2 (where ε is a dielectric constant, h is a Planck constant, m is an effective mass, and e is an elementary charge amount. Represented). When the base semiconductor is a group III nitride semiconductor, for example, the exciton Bohr radius of the GaN semiconductor is about 3 nm, and the exciton Bohr radius of the InN semiconductor is about 7 nm. Furthermore, the grain size of the base semiconductor is more preferably not less than 1/2 times and not more than 3/2 times the Bohr radius. As the grain size of the base semiconductor becomes smaller, the quantum effect becomes more prominent. In particular, if it is 3/2 times or less the Bohr radius, the internal quantum efficiency is further increased significantly, which is preferable. On the other hand, if the quantum effect becomes too large, the emission wavelength changes greatly depending on the particle size of the base semiconductor, making it difficult to control. Therefore, the quantum effect is preferably at least ½ times the Bohr radius. For example, the grain size of the base semiconductor made of GaN semiconductor is preferably 1.5 nm to 4.5 nm, and the grain size of the base semiconductor made of InN semiconductor is preferably 3.5 nm to 10.5 nm.

また、本発明にかかる一の蛍光体において、上記発光中心12が遷移元素からなる群から選択された少なくとも1の元素であることが好ましい。遷移元素イオンは発光中心として高い効率を有し、また内殻の遷移エネルギーが赤色〜青色の可視光に相当するため、これらを組み合わせることによって極めて演色性の高い白色発光を得ることができる。   In the phosphor according to the present invention, the emission center 12 is preferably at least one element selected from the group consisting of transition elements. Since transition element ions have high efficiency as a luminescent center and the transition energy of the inner shell corresponds to visible light of red to blue, white light emission with extremely high color rendering properties can be obtained by combining them.

また、本発明にかかる一の蛍光体において、上記遷移元素が希土類元素であること、すなわち、上記発光中心12が希土類元素からなる群から選択された少なくとも1の元素であることがより好ましい。希土類元素イオンは発光中心として特に高い効率を有し、また内殻遷移エネルギーが赤色〜青色の可視光に相当するため、これらを組み合わせることによって極めて演色性の高い白色発光を得ることができる。   In the phosphor according to the present invention, it is more preferable that the transition element is a rare earth element, that is, the emission center 12 is at least one element selected from the group consisting of rare earth elements. Rare earth element ions have a particularly high efficiency as an emission center, and the inner shell transition energy corresponds to visible light of red to blue. By combining these, white light emission with extremely high color rendering properties can be obtained.

また、本発明にかかる一の蛍光体において、上記III族窒化物半導体が、III族元素として少なくともInを含む窒化物半導体であることが好ましい。III族窒化物半導体は化学的に安定で信頼性が高く環境負荷が低い。また、III族窒化物半導体は、III族元素として少なくともInを含むことにより、Inの組成比によってバンドギャップの制御が容易になる。特に、III族元素として少なくともInおよびGaを含む窒化物半導体は、バンドギャップをおよそ1eV〜3eVの広範囲に渡って制御することができる。   In the phosphor according to the present invention, the group III nitride semiconductor is preferably a nitride semiconductor containing at least In as a group III element. Group III nitride semiconductors are chemically stable, reliable and have a low environmental impact. In addition, since the group III nitride semiconductor contains at least In as a group III element, the band gap can be easily controlled by the composition ratio of In. In particular, a nitride semiconductor containing at least In and Ga as group III elements can control the band gap over a wide range of approximately 1 eV to 3 eV.

また、本発明にかかる一の蛍光体において、上記外層が、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物であることが好ましい。外層がIII族元素の酸化物であれば、蛍光体の母体半導体をそのまま表面酸化するなどの簡便な手法で被覆できる。また、吸着などによる表面修飾手法より密着性が高く、信頼性が高い。   In the phosphor according to the present invention, the outer layer is preferably an oxide of a group III element constituting a group III nitride semiconductor. If the outer layer is an oxide of a group III element, it can be coated by a simple method such as surface oxidation of the phosphor base semiconductor as it is. Also, it has higher adhesion and higher reliability than surface modification methods such as adsorption.

本発明にかかる別の蛍光体は、図3を参照して、III族窒化物半導体からなる母体半導体11が、III族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する酸化物からなる外層13により被覆されている蛍光体であって、上記母体半導体11が、量子サイズ効果を有し蛍光を発するコア21と、このコア21のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するシェル22との2層構造からなる。   In another phosphor according to the present invention, referring to FIG. 3, an outer layer 13 made of an oxide in which a base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor has a band gap larger than the band gap of the group III nitride semiconductor. A two-layer structure in which the base semiconductor 11 has a quantum size effect and emits fluorescence, and a shell 22 having a band gap larger than the band gap of the core 21. Consists of.

シェルがコアよりも大きなバンドギャップを有するので、量子閉じ込め効果によって発光効率が増大し、また自己吸収されること無く蛍光体外へ放射することができる。また、遷移エネルギーに対応する基底準位は、母体半導体の粒径によって制御することができるので、所定の発光波長を得ることができる。このことにより、所定波長の発光を高い効率で得ることができる。   Since the shell has a larger band gap than the core, the light emission efficiency is increased by the quantum confinement effect, and it can be emitted outside the phosphor without being self-absorbed. In addition, since the ground level corresponding to the transition energy can be controlled by the grain size of the host semiconductor, a predetermined emission wavelength can be obtained. Thereby, light emission of a predetermined wavelength can be obtained with high efficiency.

本発明にかかる別の蛍光体の発光機構は、図3および図4を参照して、蛍光体の本体であるIII族窒化物半導体からなる母体半導体11を励起する励起光のエネルギーは、外層13のバンドギャップより小さいため、外層13を透過して母体半導体11のシェル22によって吸収され、次いでシェル22によって周囲を囲まれたコア21に遷移する。ここで、コア21の粒径は量子サイズ効果を有する程度に小さいので、コア21は離散化した複数のエネルギー準位のみを取り得る。コア21に遷移した光エネルギーは、上記エネルギー準位のうち伝導帯の基底準位と価電子帯の基底準位との間で遷移(基底量子準位間遷移)し、そのエネルギーに相当する波長の光が発光する。シェル22および外層13は、コア21からの発光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するので、発光は自己吸収されることなく蛍光体外へ放射される。このようにして、発光効率の高い蛍光体が得られる。   With reference to FIGS. 3 and 4, the emission mechanism of another phosphor according to the present invention is such that the energy of the excitation light that excites the base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor that is the main body of the phosphor is the outer layer 13. Therefore, the light passes through the outer layer 13 and is absorbed by the shell 22 of the parent semiconductor 11, and then transitions to the core 21 surrounded by the shell 22. Here, since the particle size of the core 21 is small enough to have a quantum size effect, the core 21 can take only a plurality of discrete energy levels. The light energy transitioned to the core 21 transitions between the ground level of the conduction band and the ground level of the valence band among the energy levels (transition between ground quantum levels), and the wavelength corresponding to the energy. Light is emitted. Since the shell 22 and the outer layer 13 have a band gap larger than the energy of light emission from the core 21, the light emission is emitted outside the phosphor without being self-absorbed. In this way, a phosphor with high luminous efficiency can be obtained.

本発明にかかる別の蛍光体において、上記コアの粒径が、励起子ボーア半径の2倍以下であることが好ましい。コアの粒径が励起子ボーア半径の2倍以下であれば、量子サイズ効果が顕著となり、コアとシェルとの電子軌道カップリングが増大するため発光効率が増大する。なお、コアがIII族窒化物半導体の場合、たとえば、GaN半導体の励起子ボーア半径は約3nm、InN半導体の励起子ボーア半径は約7nmである。さらに、上記コアの粒径は、ボーア半径の1/2倍以上3/2倍以下であるのがより好ましい。コアの粒径が小さくなるほど量子効果が顕著となり、特にボーア半径の3/2倍以下であれば内部量子効率がさらに顕著に増大するので好ましい。一方、量子効果が大きくなりすぎると、コアの粒径によって発光波長が大きく変化し制御が困難となるため、ボーア半径の1/2倍以上であることが好ましい。たとえば、GaN半導体からなるコアの粒径は1.5nm〜4.5nmであることが好ましく、InN半導体からなるコアの粒径は3.5nm〜10.5nmであることが好ましい。   In another phosphor according to the present invention, it is preferable that the particle diameter of the core is not more than twice the exciton Bohr radius. If the particle size of the core is not more than twice the exciton Bohr radius, the quantum size effect becomes significant, and the electron orbit coupling between the core and the shell increases, so that the luminous efficiency increases. When the core is a group III nitride semiconductor, for example, the exciton Bohr radius of the GaN semiconductor is about 3 nm, and the exciton Bohr radius of the InN semiconductor is about 7 nm. Further, the particle diameter of the core is more preferably 1/2 times or more and 3/2 times or less of the Bohr radius. The smaller the core particle size, the more prominent the quantum effect. In particular, if it is 3/2 or less the Bohr radius, it is preferable because the internal quantum efficiency further increases remarkably. On the other hand, if the quantum effect becomes too large, the emission wavelength changes greatly depending on the particle size of the core, making it difficult to control. Therefore, the quantum effect is preferably ½ times the Bohr radius. For example, the particle diameter of the core made of GaN semiconductor is preferably 1.5 nm to 4.5 nm, and the particle diameter of the core made of InN semiconductor is preferably 3.5 nm to 10.5 nm.

本発明にかかる蛍光体の一の製造方法は、図1を参照して、III族窒化物半導体からなる母体半導体11をレーザアブレーションで形成する工程と、レーザアブレーションを行う装置内で母体半導体11に酸素を供給することにより、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層13で母体半導体を被覆する工程とを含む。   With reference to FIG. 1, a method for manufacturing a phosphor according to the present invention includes a step of forming a base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor by laser ablation, and a step of forming the base semiconductor 11 in a laser ablation apparatus. And supplying a base semiconductor with an outer layer 13 made of an oxide of a group III element constituting a group III nitride semiconductor by supplying oxygen.

レーザアブレーション法は非平衡性が高く、原材料ターゲットからの組成ずれが極めて小さいので、結晶成長の困難なIII族窒化物半導体の微結晶、特にInGaN半導体の微結晶を生成させるのに好ましい成長手法である。また、プルーム(飛散粒子)は高い活性状態にあるので、基板などに到達するまでに酸化力の強いガスを吹き付けることにより、母体半導体の表面のみを酸化させて被覆することができる。本手法はin-situで母体半導体の酸化物層を形成でき、生産性が高い。   The laser ablation method has high non-equilibrium and the composition deviation from the raw material target is extremely small. Therefore, the laser ablation method is a preferable growth method for generating group III nitride semiconductor microcrystals, particularly InGaN semiconductor microcrystals, which are difficult to grow. is there. Further, since the plume (scattered particles) is in a high active state, only the surface of the base semiconductor can be oxidized and coated by blowing a gas having strong oxidizing power before reaching the substrate or the like. This method can form the oxide layer of the base semiconductor in-situ and has high productivity.

図5に、本発明において用いられる一のレーザアブレーション装置200を示す。図5を参照して、本レーザアブレーション装置は、超高真空に排気可能な成長室201の上部に基板ホルダー202が配置され、基板ホルダー202に基板203が固定されている。基板ホルダー202の上部に配置されたヒータ204により基板ホルダー202の裏面が加熱され、その熱伝導により基板203が加熱される。基板ホルダー202直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル205が配置され、ターゲットテーブル205上には原料ターゲット206が配置されている。また、成長室201にはガスを導入できるようガス導入管210が設けられており、ラジカルセル209によって活性化された原子状ビームを基板に照射することも可能である。   FIG. 5 shows one laser ablation apparatus 200 used in the present invention. Referring to FIG. 5, in this laser ablation apparatus, a substrate holder 202 is disposed on an upper part of a growth chamber 201 that can be evacuated to an ultrahigh vacuum, and a substrate 203 is fixed to the substrate holder 202. The back surface of the substrate holder 202 is heated by the heater 204 disposed on the substrate holder 202, and the substrate 203 is heated by the heat conduction. A target table 205 is disposed immediately below the substrate holder 202 at an appropriate distance, and a raw material target 206 is disposed on the target table 205. In addition, a gas introduction pipe 210 is provided in the growth chamber 201 so that a gas can be introduced, and the substrate can be irradiated with an atomic beam activated by the radical cell 209.

ここで、III族窒化物を原料ターゲット206として用いて、原料ターゲット206に成長室201の側面に設けられたビューポート207を通じてパルスレーザ光208を照射するにより原料ターゲット206の表面がアブレーションされ、瞬時に蒸発した原料ターゲット206の原料であるIII族窒化物が基板203上に堆積することにより、蛍光体の母体半導体となるIII族窒化物半導体の微結晶が成長する。   Here, the surface of the source target 206 is ablated by irradiating the source target 206 with the pulse laser beam 208 through the view port 207 provided on the side surface of the growth chamber 201 using the group III nitride as the source target 206. The group III nitride which is the raw material of the raw material target 206 evaporated on the substrate 203 is deposited on the substrate 203, so that a group III nitride semiconductor microcrystal which becomes the host semiconductor of the phosphor grows.

このとき、基板203近傍に設置されたガス導入管210からO2ガスを供給し、基板に到着する直前のIII族窒化物半導体の微結晶からなるプレームの表面を酸化することにより、上記母体半導体がIII族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層により被覆される。 At this time, O 2 gas is supplied from a gas introduction pipe 210 installed in the vicinity of the substrate 203, and the surface of the plate made of group III nitride semiconductor microcrystals just before reaching the substrate is oxidized to thereby oxidize the base semiconductor. Is covered with an outer layer made of an oxide of a group III element constituting a group III nitride semiconductor.

本製造方法においては、母体半導体の表面欠陥をキャッピングするのに必要な外層による被覆を、蛍光体生成の最終段階で母体半導体表面のIII族元素を酸化することによって行っており、複雑な表面修飾手法を付加すること無く発光効率を向上させることができる。   In this manufacturing method, the coating with the outer layer necessary for capping the surface defects of the base semiconductor is performed by oxidizing the group III element on the base semiconductor surface in the final stage of the phosphor generation, and this is a complicated surface modification. Luminous efficiency can be improved without adding a technique.

なお、上記レーザアブレーション装置において、基板203およびヒータ204を設けずに、母体半導体を酸化物層からなる外層で被覆して形成した蛍光体を別途設けた排気管(図示せず)へ直接導入し回収するようにすれば、微結晶粉末の蛍光体を得ることができる。   In the laser ablation apparatus, a phosphor formed by coating a base semiconductor with an outer layer made of an oxide layer is directly introduced into an exhaust pipe (not shown) separately provided without providing the substrate 203 and the heater 204. If collected, a phosphor of microcrystalline powder can be obtained.

また、図1および図5を参照して、本製造方法においては、発光中心12となる元素の添加濃度は原料ターゲット206への添加量で制御することができる。また、蛍光体の粒径は、レーザアブレーション時のパルスレーザ出力、成長室真空度および原料ターゲット206と基板203との間の距離で制御することが可能である。さらに、外層13の厚さは、ガス導入管210より供給されるO2ガス流量および供給位置によって制御することができる。すなわち、O2ガス供給位置を基板203あるいは排気管(図示せず)に近くすれば外層13は薄くなり、原料ターゲット206に近くすれば外層13は厚くなる。なお、O2ガスは常に供給する必要はなく、原料ターゲットをアブレーションするレーザパルスに同期してパルス的に供給してもよい。さらに、酸化力を強めるため、ガス導入管210からO2ガスを供給する代りに、別途設けたラジカルセル(図示せず)を用いてプラズマ化した酸素ラジカルを供給してもよい。 Referring to FIGS. 1 and 5, in the present manufacturing method, the additive concentration of the element that becomes the light emission center 12 can be controlled by the addition amount to the raw material target 206. Further, the particle size of the phosphor can be controlled by the pulse laser output at the time of laser ablation, the growth chamber vacuum degree, and the distance between the raw material target 206 and the substrate 203. Furthermore, the thickness of the outer layer 13 can be controlled by the flow rate of O 2 gas supplied from the gas introduction pipe 210 and the supply position. That is, if the O 2 gas supply position is close to the substrate 203 or the exhaust pipe (not shown), the outer layer 13 becomes thin, and if it is close to the raw material target 206, the outer layer 13 becomes thick. The O 2 gas need not always be supplied, and may be supplied in a pulse manner in synchronization with the laser pulse for ablating the raw material target. Further, in order to strengthen the oxidizing power, instead of supplying the O 2 gas from the gas introduction pipe 210, oxygen radicals converted into plasma using a separately provided radical cell (not shown) may be supplied.

本発明にかかる他の蛍光体の製造方法は、III族窒化物半導体からなる母体半導体を化学合成法で形成し、母体半導体を媒体中で酸化することにより、III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層で母体半導体を被覆する工程とを含む。   In another method for producing a phosphor according to the present invention, a base semiconductor composed of a group III nitride semiconductor is formed by a chemical synthesis method, and the base semiconductor is oxidized in a medium to form a group III nitride semiconductor III. Covering the base semiconductor with an outer layer made of an oxide of a group element.

ここで、化学合成法とは、生成物質の構成元素を含む複数の出発物質を媒体に分散させ、これを反応させて目的の生成物質を得る合成法をいい、ゾルゲル法(コロイド法)、逆ミセル法、分子プレカーサ法、水熱合成法、フラックス法などが含まれる。化学合成法は極めて簡便な手法により低コストで母体半導体を得ることができる。媒体を介して化学反応を生ぜしめるので、合成完了後に媒体に酸化剤を添加するなどの手法で表面のみを酸化させて被覆することができる。本手法はin-situで外層となる酸化物層を形成でき、生産性が高い。   Here, the chemical synthesis method refers to a synthesis method in which a plurality of starting materials containing the constituent elements of a product substance are dispersed in a medium and reacted to obtain a target product substance. The sol-gel method (colloid method), reverse Examples include micelle method, molecular precursor method, hydrothermal synthesis method, flux method and the like. The chemical synthesis method can obtain a base semiconductor at a low cost by a very simple method. Since a chemical reaction is caused through the medium, only the surface can be oxidized and coated by a technique such as adding an oxidizing agent to the medium after completion of the synthesis. This method can form an outer oxide layer in-situ and has high productivity.

本発明にかかる一の発光装置は、図7を参照して、III族窒化物半導体からなる母体半導体と、母体半導体を被覆する酸化物からなる外層とを有し、励起によりピーク波長が600nm〜670nmの範囲にある赤色を呈する赤色蛍光体103と、III族窒化物半導体からなる母体半導体と、母体半導体を被覆する酸化物からなる外層とを有し、励起によりピーク波長が500nm〜540nmの範囲にある緑色を呈する緑色蛍光体104とを含み、赤色蛍光体103および緑色蛍光体104を青色発光素子102とともに励起して混色することにより白色発光を得るものである。   One light-emitting device according to the present invention has a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor and an outer layer made of an oxide covering the base semiconductor with reference to FIG. A red phosphor 103 having a red color in a range of 670 nm, a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor, and an outer layer made of an oxide covering the base semiconductor, and having a peak wavelength of 500 nm to 540 nm by excitation. The green phosphor 104 having a green color is included, and the red phosphor 103 and the green phosphor 104 are excited together with the blue light emitting element 102 and mixed to obtain white light emission.

さらに具体的には、本発明にかかる一の発光装置は、図7を参照して、支持基板101上に、青色発光素子102が配置され、さらにその上に赤色蛍光体103および緑色蛍光体104を均一に分散させた蛍光体分散層105が配置されている。青色発光素子102は、等間隔でアレイ状に配置されている。ここで、青色発光素子102の大きさおよび配置間隔は任意である。また、青色発光素子102が隔壁106で仕切られていてもよい。隔壁106を設ける場合、隔壁106に入射した光が蛍光体(赤色蛍光体103および緑色蛍光体104をいう、以下同じ)を含む蛍光体分散層105方向へ高効率に反射されるように、隔壁106の少なくとも表面は光反射率の高い材料で形成されることが好ましい。   More specifically, in one light emitting device according to the present invention, referring to FIG. 7, a blue light emitting element 102 is disposed on a support substrate 101, and a red phosphor 103 and a green phosphor 104 are further disposed thereon. A phosphor dispersion layer 105 in which is uniformly dispersed is disposed. The blue light emitting elements 102 are arranged in an array at equal intervals. Here, the size and arrangement interval of the blue light emitting elements 102 are arbitrary. Further, the blue light emitting element 102 may be partitioned by a partition wall 106. In the case where the partition wall 106 is provided, the partition wall 106 is reflected so that light incident on the partition wall 106 is reflected with high efficiency toward the phosphor dispersion layer 105 including the phosphor (referred to as the red phosphor 103 and the green phosphor 104 hereafter). At least the surface of 106 is preferably formed of a material having high light reflectance.

本発光装置において用いられる赤色蛍光体および緑色蛍光体は、青色発光素子と共に発光させることにより全体として白色発光を得るものであり、安定かつ発光効率の高い蛍光体材料で構成されているので、省電力性と信頼性に優れた発光装置を得ることができる。また、蛍光ピーク波長が上記所定の範囲にあることにより、単原色の色純度が高いので、白色光の演色性が向上する。   The red phosphor and the green phosphor used in the present light emitting device emit white light as a whole by emitting light together with the blue light emitting element, and are composed of phosphor materials that are stable and have high luminous efficiency. A light-emitting device with excellent power and reliability can be obtained. Further, when the fluorescence peak wavelength is in the predetermined range, the color purity of white light is improved because the color purity of the single primary color is high.

また、本発明にかかる別の発光装置は、上記の一の発光装置において、III族窒化物半導体からなる母体半導体と、母体半導体を被覆する酸化物からなる外層とを有し、励起によりピーク波長が420nm〜480nmの範囲にある青色を呈する青色蛍光体をさらに含み、赤色蛍光体、緑色蛍光体および青色蛍光体を青色発光素子とともに励起して混色することにより白色発光を得るものである。かかる発光装置は、励起光源とは独立した青色蛍光体を含むことにより、光吸収および/または光散乱を制御する必要がなく、発光装置中の蛍光体充填度を上げることができる。また、蛍光ピーク波長が上記所定の範囲にあることにより、青色蛍光体による単原色の色純度が高いので、励起光源を内部量子効率の高い波長に最適化しても演色性を損なわない。これらのことにより、発光効率と生産性に優れた発光装置を得ることができる。   Another light-emitting device according to the present invention is the light-emitting device according to the first aspect, wherein the light-emitting device includes a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor and an outer layer made of an oxide covering the base semiconductor, and has a peak wavelength by excitation. Further includes a blue phosphor exhibiting a blue color in the range of 420 nm to 480 nm, and the red phosphor, the green phosphor and the blue phosphor are excited and mixed with the blue light emitting element to obtain white light emission. Such a light-emitting device includes a blue phosphor independent of the excitation light source, so that it is not necessary to control light absorption and / or light scattering, and the degree of phosphor filling in the light-emitting device can be increased. Further, since the fluorescence peak wavelength is in the predetermined range, the color purity of the single primary color by the blue phosphor is high, so that the color rendering properties are not impaired even when the excitation light source is optimized to a wavelength with high internal quantum efficiency. By these things, the light-emitting device excellent in luminous efficiency and productivity can be obtained.

以下、実施例に基づいて、本発明にかかる蛍光体、蛍光体の製造方法および発光装置について具体的に説明する。なお、実施例において、発光効率、すなわち発光の際の量子効率としては、内部量子効率または外部量子効率を用いた。ここで、外部量子効率とは蛍光体に照射されたフォトン数に対する蛍光体が発したフォトン数の比をいい、内部量子効率とは蛍光体が吸収したフォトン数に対する蛍光体が発したフォトン数の比をいう。   Hereinafter, based on an Example, the fluorescent substance concerning this invention, the manufacturing method of a fluorescent substance, and a light-emitting device are demonstrated concretely. In the examples, the internal quantum efficiency or the external quantum efficiency was used as the light emission efficiency, that is, the quantum efficiency at the time of light emission. Here, the external quantum efficiency is the ratio of the number of photons emitted by the phosphor to the number of photons irradiated to the phosphor, and the internal quantum efficiency is the number of photons emitted by the phosphor relative to the number of photons absorbed by the phosphor. A ratio.

(実施例1)
本実施例は、上記の一の蛍光体であって母体半導体に発光中心が添加されているもの、すなわち、発光中心が添加されているIII族窒化物半導体からなる母体半導体が、III族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する酸化物からなる外層により被覆されている蛍光体についての実施例である。
Example 1
In this example, the above phosphor is one in which a luminescent center is added to a base semiconductor, that is, a base semiconductor composed of a group III nitride semiconductor to which a luminescent center is added is a group III nitride. It is an Example about the fluorescent substance coat | covered with the outer layer which consists of an oxide which has a larger band gap than the band gap of a semiconductor.

本実施例にかかる蛍光体は、レーザアブレーション法により製造した。図5を参照して、洗浄処理したサファイア基板を基板203としてレーザアブレーション装置200に配置して、600℃で30分間加熱して基板203を清浄化した。次に、基板203の温度を25℃まで降温した後、Euを1×1020cm-3の濃度で添加したIn0.1Ga0.9Nを原料ターゲットとして、KrFエキシマレーザのパルス照射(波長:248nm、パルス数:10Hz、出力1J/cm2)によりアブレーションを行なった。このとき、ラジカルセル209よりプラズマ化したN2ガスを流し、アブレーション時に欠損する窒素を補った。また、このとき、さらに、基板203近傍のガス導入管210にO2ガスを流し、基板に到達する直前のプルーム表面が酸化されるようにして、InおよびGaの酸化物からなる外層により母体半導体が被覆された蛍光体を形成した。 The phosphor according to this example was manufactured by a laser ablation method. With reference to FIG. 5, the cleaned sapphire substrate was placed in the laser ablation apparatus 200 as the substrate 203 and heated at 600 ° C. for 30 minutes to clean the substrate 203. Next, after the temperature of the substrate 203 is lowered to 25 ° C., pulse irradiation of a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, with In 0.1 Ga 0.9 N added with Eu at a concentration of 1 × 10 20 cm −3 as a raw material target) Ablation was performed with a pulse number of 10 Hz and an output of 1 J / cm 2 . At this time, plasma N 2 gas was supplied from the radical cell 209 to compensate for nitrogen deficient during ablation. Further, at this time, an O 2 gas is further supplied to the gas introduction pipe 210 in the vicinity of the substrate 203 so that the plume surface immediately before reaching the substrate is oxidized, so that the base semiconductor is formed by an outer layer made of an oxide of In and Ga. A phosphor coated with was formed.

このようにして得られた蛍光体は、図1を参照して、発光中心12であるEuが1×1020cm-3の濃度で添加された粒径100nmのIn0.1Ga0.9N半導体の微結晶である母体半導体11が、InおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層13によって被覆されていた。 With reference to FIG. 1, the phosphor obtained in this manner is a fine particle of an In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor having a particle diameter of 100 nm to which Eu as the emission center 12 is added at a concentration of 1 × 10 20 cm −3. The base semiconductor 11 which is a crystal was covered with an outer layer 13 made of an oxide of In and Ga and having a thickness of about 1 nm.

この蛍光体において、その母体半導体であるIn0.1Ga0.9N半導体は、その吸収端の波長が420nmとなるようにIn組成比が調整されているため、III族窒化物からなる青色発光素子を励起光源として用いることができ、特に外部量子効率の高い400nm近傍の発光を効率よく吸収することができる。 In this phosphor, the In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor, which is the base semiconductor, has an In composition ratio adjusted so that the wavelength of the absorption edge is 420 nm, and thus excites a blue light-emitting element made of Group III nitride. It can be used as a light source, and can particularly efficiently absorb light emitted in the vicinity of 400 nm with high external quantum efficiency.

上記のように、この蛍光体の発光機構は、図1および図2を参照して、以下のように説明される。蛍光体の本体であるIII族窒化物半導体からなる母体半導体11を励起する励起光のエネルギーは、外層13のバンドギャップより小さいため、外層13を透過して母体半導体11によって吸収される。添加された発光中心12に、母体半導体11に吸収されたエネルギーが遷移すると、発光中心12は軌道電子の殻内遷移により発光する。ここで、外層13は母体半導体11からの発光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するので、発光は自己吸収されることなく蛍光体外へ放射される。このようにして、蛍光体の発光効率が向上する。   As described above, the light emission mechanism of the phosphor is described as follows with reference to FIGS. 1 and 2. The energy of the excitation light that excites the base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor, which is the main body of the phosphor, is smaller than the band gap of the outer layer 13, so that it passes through the outer layer 13 and is absorbed by the base semiconductor 11. When the energy absorbed by the base semiconductor 11 transitions to the added emission center 12, the emission center 12 emits light due to orbital electron transition in the shell. Here, since the outer layer 13 has a band gap larger than the energy of light emission from the base semiconductor 11, the light emission is emitted outside the phosphor without being self-absorbed. In this way, the luminous efficiency of the phosphor is improved.

この蛍光体をピーク波長405nmのGaN半導体の青色発光素子で励起したところ、波長620nmの赤色蛍光が得られた。この蛍光体の内部量子効率(蛍光体が吸収したフォトン数に対する蛍光体が発したフォトン数の割合(%)、以下同じ)を図8に示す測定装置300により測定したところ、75%であった。また、この蛍光体寿命(励起スペクトルのピーク波長で励起したときのエネルギー変換効率が初期値の50%となるまでの時間、以下同じ)を図8の測定装置300を用いてエネルギー変換効率の時間依存性を評価することにより算出したところ、10000時間であった。結果を表1にまとめた。ここで、エネルギー変換効率とは投入電力(単位:W(ワット))に対する全光束量(単位:lm(ルーメン))の比をいい、図8の測定装置300を用いて励起光源301をピーク波長405nmのGaN半導体の青色発光素子とすることにより測定できる。   When this phosphor was excited by a blue light emitting element of a GaN semiconductor having a peak wavelength of 405 nm, red fluorescence having a wavelength of 620 nm was obtained. The internal quantum efficiency of this phosphor (the ratio of the number of photons emitted by the phosphor to the number of photons absorbed by the phosphor (%), hereinafter the same) was measured by the measuring apparatus 300 shown in FIG. . Further, the lifetime of the phosphor (the time until the energy conversion efficiency when excited at the peak wavelength of the excitation spectrum reaches 50% of the initial value, the same applies hereinafter) is measured using the measuring apparatus 300 in FIG. It was 10,000 hours when calculated by evaluating the dependency. The results are summarized in Table 1. Here, the energy conversion efficiency refers to the ratio of the total luminous flux (unit: lm (lumen)) to the input power (unit: W (watt)), and the excitation light source 301 is set to the peak wavelength using the measuring device 300 of FIG. It can be measured by using a blue light emitting element of 405 nm GaN semiconductor.

ここで、図8に示す装置300を用いて内部量子効率および外部量子効率を測定する方法を説明する。図8の装置300は、励起光源301としてキセノンランプを用い、連続した波長に分布する励起光をモノクロメータ302で単一波長に分光し、ミラー303を経て積分球304の入射孔305に入射させる。入射孔305に入射した励起光は、反対側の測定孔306に入射し、そこに設置された試料307に入射する。試料からの発光および励起光の反射成分は、積分球305内で集光され、出射孔308より出射する。出射光は分光器309で分光され測定される。モノクロメータ302および分光器309の駆動は、制御コンピュータ310によって制御されている。   Here, a method for measuring the internal quantum efficiency and the external quantum efficiency using the apparatus 300 shown in FIG. 8 will be described. The apparatus 300 of FIG. 8 uses a xenon lamp as the excitation light source 301, splits the excitation light distributed in continuous wavelengths into a single wavelength by the monochromator 302, and enters the incident hole 305 of the integrating sphere 304 through the mirror 303. . The excitation light incident on the incident hole 305 enters the opposite measurement hole 306 and enters the sample 307 installed there. The light emission from the sample and the reflection component of the excitation light are collected in the integrating sphere 305 and exit from the exit hole 308. The emitted light is spectrally measured by the spectroscope 309 and measured. The driving of the monochromator 302 and the spectroscope 309 is controlled by the control computer 310.

内部量子効率の測定および算出は、以下のように行なう。すなわち、予め励起波長における反射率が既知の標準試料(ここでは硫酸バリウムをコーティングした反射板を用いた)を用いて励起光の強度を測定し、次いで測定試料について励起光の強度を測定すれば、両者の比より蛍光体の吸収率を求めることができる。この蛍光体の吸収率に励起光源301から発せられるフォトン数に吸収係率を乗じれば、蛍光体が吸収したフォトン数が導かれる。蛍光体から発せられるフォトン数を上記蛍光体が吸収したフォトン数で除すると、内部量子効率が算出される。   The internal quantum efficiency is measured and calculated as follows. That is, if the intensity of the excitation light is measured using a standard sample whose reflectance at the excitation wavelength is already known (here, a reflector coated with barium sulfate is used), and then the intensity of the excitation light is measured for the measurement sample The absorption rate of the phosphor can be determined from the ratio between the two. Multiplying the absorption rate of this phosphor by the absorption factor to the number of photons emitted from the excitation light source 301 leads to the number of photons absorbed by the phosphor. The internal quantum efficiency is calculated by dividing the number of photons emitted from the phosphor by the number of photons absorbed by the phosphor.

また、外部量子効率の測定および算出についても図8の測定装置を用いて行なうことができる。この場合は、蛍光体から発せられるフォトン数を励起光源301から発せられるフォトン数で除すれば、外部量子効率が算出される。   Further, the measurement and calculation of the external quantum efficiency can also be performed using the measuring apparatus of FIG. In this case, the external quantum efficiency is calculated by dividing the number of photons emitted from the phosphor by the number of photons emitted from the excitation light source 301.

(比較例1)
実施例1において、基板203近傍のガス導入管210にO2ガスを流さなかった以外は実施例1と同様にして、発光中心12であるEuが1×1020cm-3の濃度で添加された粒径100nmのIn0.1Ga0.9N半導体の微結晶である母体半導体11からなる蛍光体が得られた。この蛍光体の内部量子効率は20%であり、蛍光体寿命は5000時間であった。結果を表1にまとめた。
(Comparative Example 1)
In Example 1, Eu, which is the light emission center 12, was added at a concentration of 1 × 10 20 cm −3 in the same manner as in Example 1 except that O 2 gas was not passed through the gas introduction tube 210 in the vicinity of the substrate 203. Thus, a phosphor composed of the base semiconductor 11 which is a microcrystal of an In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor having a particle size of 100 nm was obtained. The internal quantum efficiency of this phosphor was 20%, and the phosphor lifetime was 5000 hours. The results are summarized in Table 1.

(比較例2)
比較のために、メタクリル酸で表面修飾された粒径3nmのMn添加ZnS半導体からなる蛍光体(蛍光ピーク波長:580nm)の内部量子効率および蛍光体寿命を測定した。この蛍光体の内部量子効率は30%、蛍光体寿命は2000時間であった。結果を表1にまとめた。
(Comparative Example 2)
For comparison, the internal quantum efficiency and the phosphor lifetime of a phosphor (fluorescence peak wavelength: 580 nm) made of a Mn-doped ZnS semiconductor having a particle size of 3 nm and surface-modified with methacrylic acid were measured. The internal quantum efficiency of this phosphor was 30%, and the phosphor lifetime was 2000 hours. The results are summarized in Table 1.

(比較例3)
比較のために、粒径10nmのEu添加Y22S半導体からなる蛍光体(蛍光ピーク波長:625nm)の内部量子効率は60%、蛍光体寿命は3000時間であった。結果を表1にまとめた。
(Comparative Example 3)
For comparison, the internal quantum efficiency of a phosphor (fluorescence peak wavelength: 625 nm) made of an Eu-doped Y 2 O 2 S semiconductor having a particle size of 10 nm was 60%, and the phosphor lifetime was 3000 hours. The results are summarized in Table 1.

Figure 0004401264
Figure 0004401264

表1において、実施例1と比較例1とを比較すると明らかなように、III族窒化物半導体からなる母体半導体が、上記III族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する酸化物からなる外層により被覆されている蛍光体の内部量子効率および寿命が、上記外層により被覆されていない蛍光体の内部量子効率および寿命に比べて著しく優れていることがわかる。また、実施例1と比較例2または比較例3とを比較すると明らかなように、本実施例にかかる蛍光体の内部量子効率および寿命は、従来の蛍光体の内部量子効率および寿命に比べても著しく優れていることがわかる。   In Table 1, it is clear from comparison between Example 1 and Comparative Example 1 that the base semiconductor made of a group III nitride semiconductor is an oxide having a band gap larger than the band gap of the group III nitride semiconductor. It can be seen that the internal quantum efficiency and lifetime of the phosphor covered with the outer layer are significantly superior to the internal quantum efficiency and lifetime of the phosphor not covered with the outer layer. Further, as is clear when Example 1 is compared with Comparative Example 2 or Comparative Example 3, the internal quantum efficiency and lifetime of the phosphor according to the present example are compared with the internal quantum efficiency and lifetime of the conventional phosphor. It can be seen that it is also excellent.

(実施例2)
本実施例は、上記の別の蛍光体、すなわち、III族窒化物半導体からなる母体半導体がIII族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する酸化物からなる外層により被覆されている蛍光体であって、上記母体半導体が、量子サイズ効果を有し蛍光を発するコアと、このコアのバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するシェルとの2層構造からなる蛍光体についての実施例である。
(Example 2)
In this example, another phosphor described above, that is, a fluorescent material in which a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor is covered with an outer layer made of an oxide having a band gap larger than that of the group III nitride semiconductor. This is an example of a phosphor having a two-layer structure in which the base semiconductor has a quantum-size-effect core that emits fluorescence and a shell having a band gap larger than the band gap of the core. .

本実施例にかかる蛍光体は、InCl3(塩化インジウム)、GaCl3(塩化ガリウム)およびLi3N(窒化リチウム)を原料とした化学合成法により製造した。すなわち、0.03モルの粉末状InCl3、0.07モルの粉末状GaCl3および0.1モルの粉末状Li3Nを各々キシレン100cm3に分散させたのち混合し、オートクレーブにて300気圧(30.39MPa)、300℃に保ち12時間反応させた。25℃まで冷却しキシレンを蒸発させてコアを得た。次に、0.01モルの粉末状InCl3、0.09モルの粉末状GaCl3および0.1モルの粉末状Li3Nを各々キシレン100cm3に分散させたのち混合し、かかる混合液に上記コアを混合して、オートクレーブにて300気圧(30.39MPa)、350℃に保ち24時間反応させた。25℃まで冷却してキシレンを蒸発させてシェルを得た後、媒体として純水を加えて副生成物のLiClを溶解除去すると共に、純水中の溶存酸素によってシェルの主生成物であるIn0.1Ga0.9N半導体の表面を酸化してInおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層によりInGaO3を被覆して、微粉末状の蛍光体を得た。 The phosphor according to this example was manufactured by a chemical synthesis method using InCl 3 (indium chloride), GaCl 3 (gallium chloride) and Li 3 N (lithium nitride) as raw materials. That is, 0.03 mol of powdered InCl 3 , 0.07 mol of powdered GaCl 3 and 0.1 mol of powdered Li 3 N were each dispersed in 100 cm 3 of xylene and mixed, and then mixed in an autoclave at 300 atm. (30.39 MPa) and kept at 300 ° C. for 12 hours. The core was obtained by cooling to 25 ° C. and evaporating xylene. Next, 0.01 mol of powdered InCl 3 , 0.09 mol of powdered GaCl 3 and 0.1 mol of powdered Li 3 N were each dispersed in 100 cm 3 of xylene and mixed, and the mixture was mixed. The above cores were mixed and reacted in an autoclave at 300 atm (30.39 MPa) and 350 ° C. for 24 hours. After cooling to 25 ° C. and evaporating xylene to obtain a shell, pure water is added as a medium to dissolve and remove LiCl as a by-product, and the main product of the shell is dissolved by dissolved oxygen in pure water. The surface of a 0.1 Ga 0.9 N semiconductor was oxidized and covered with InGaO 3 with an outer layer made of In and Ga oxides and having a thickness of about 1 nm to obtain a fine powder phosphor.

このようにして得られた蛍光体は、図3を参照して、In0.3Ga0.7N半導体からなる粒径10nmのコア21とIn0.1Ga0.9N半導体からなる粒径1.2μmのシェル22とからなる母体半導体11が、InおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層13により被覆されていた。 Referring to FIG. 3, the phosphor thus obtained has a core 21 having a particle diameter of 10 nm made of an In 0.3 Ga 0.7 N semiconductor and a shell 22 having a particle diameter of 1.2 μm made of an In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor. The base semiconductor 11 made of was covered with an outer layer 13 made of an oxide of In and Ga and having a thickness of about 1 nm.

この蛍光体において、その母体半導体11のシェル22であるIn0.1Ga0.9N半導体は、実施例1の場合と同様に、その吸収端の波長が420nmとなるようにIn組成比が調整されているため、III族窒化物からなる青色発光素子を励起光源として用いることができ、特に外部量子効率の高い400nm近傍の発光を効率よく吸収することができる。 In this phosphor, the In composition ratio of the In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor that is the shell 22 of the base semiconductor 11 is adjusted so that the wavelength of the absorption edge is 420 nm, as in the case of the first embodiment. Therefore, a blue light-emitting element made of a group III nitride can be used as an excitation light source, and light emission in the vicinity of 400 nm with high external quantum efficiency can be efficiently absorbed.

上記のように、この蛍光体の発光機構は、図3および図4を参照して、以下のように説明される。すなわち、蛍光体の本体であるIII族窒化物半導体からなる母体半導体11を励起する励起光のエネルギーは、外層13のバンドギャップより小さいため、外層13を透過して母体半導体11のシェル22によって吸収され、次いでシェル22によって周囲を囲まれたコア21に遷移する。ここで、コア21の粒径は量子サイズ効果を有する程度に小さいので、コア21は離散化した複数のエネルギー準位のみを取り得る。コア21に遷移した光エネルギーは、上記エネルギー準位のうち伝導帯の基底準位と価電子帯の基底準位との間で遷移(基底量子準位間遷移)し、そのエネルギーに相当する波長の光が発光する。シェル22および外層13は、コア21からの発光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するので、発光は自己吸収されることなく蛍光体外へ放射される。このようにして、蛍光体の発光効率が向上する。   As described above, the light emission mechanism of the phosphor is described as follows with reference to FIGS. 3 and 4. That is, the energy of the excitation light that excites the base semiconductor 11 made of a group III nitride semiconductor, which is the main body of the phosphor, is smaller than the band gap of the outer layer 13, and thus passes through the outer layer 13 and is absorbed by the shell 22 of the base semiconductor 11. Then, transition is made to the core 21 surrounded by the shell 22. Here, since the particle size of the core 21 is small enough to have a quantum size effect, the core 21 can take only a plurality of discrete energy levels. The light energy transitioned to the core 21 transitions between the ground level of the conduction band and the ground level of the valence band among the energy levels (transition between ground quantum levels), and the wavelength corresponding to the energy. Light is emitted. Since the shell 22 and the outer layer 13 have a band gap larger than the energy of light emission from the core 21, the light emission is emitted outside the phosphor without being self-absorbed. In this way, the luminous efficiency of the phosphor is improved.

この蛍光体をピーク波長405nmのGaN半導体の青色発光素子で励起したところ、ピーク波長530nmの緑色蛍光が得られた。また、この蛍光体の内部量子効率は80%、蛍光体寿命は10000時間であった。   When this phosphor was excited by a blue light emitting element of a GaN semiconductor having a peak wavelength of 405 nm, green fluorescence having a peak wavelength of 530 nm was obtained. The phosphor had an internal quantum efficiency of 80% and a phosphor lifetime of 10,000 hours.

本実施例においては、コア21の粒径は、オートクレーブ中の圧力および反応時間で制御することができる。また、外層13の厚さは、媒体である純水中の溶存酸素量および主生成物In0.3Ga0.7Nの浸水時間によって制御できる。シェルの表面を酸化させるための酸化剤としては、媒体中の溶存酸素の他、過酸化水素水など酸化力の強い薬剤を用いてもよい。 In the present embodiment, the particle size of the core 21 can be controlled by the pressure in the autoclave and the reaction time. Further, the thickness of the outer layer 13 can be controlled by the amount of dissolved oxygen in pure water as a medium and the water immersion time of the main product In 0.3 Ga 0.7 N. As an oxidizing agent for oxidizing the surface of the shell, a highly oxidizing agent such as hydrogen peroxide solution may be used in addition to dissolved oxygen in the medium.

コアおよびシェルを合成する際の溶媒には無極性有機溶媒が好ましく、キシレンの他にベンゼンなどを用いることができる。   As the solvent for synthesizing the core and the shell, a nonpolar organic solvent is preferable, and in addition to xylene, benzene or the like can be used.

なお、本実施例の製造方法を用いて発光中心を添加した蛍光体を製造することも可能である。同様に、実施例1の製造方法を用いて母体半導体としてコアとシェルを有する蛍光体を製造することも可能である。   In addition, it is also possible to manufacture a phosphor added with an emission center using the manufacturing method of this embodiment. Similarly, it is also possible to manufacture a phosphor having a core and a shell as a base semiconductor using the manufacturing method of Example 1.

本実施例にかかる蛍光体において、コア21の粒径を変化させた時における蛍光体の内部量子効率の変化を図6に示す。図6から明らかに、コアの粒径が10nm以下のときに内部量子効率が顕著に増大することがわかる。この粒径は、励起子ボーア半径のほぼ2倍の大きさに相当する。ここで、励起子ボーア半径とは励起子の存在確率の広がりを示すもので、4πεh2/me2(但し、εは誘電率、hはプランク定数、mは有効質量、eは電荷素量を表わす)で表わされる。ここで、本実施例において、コア21を構成するIn0.3Ga0.7N半導体の励起子ボーア半径は5nmである。このように、コアの粒径が励起子ボーア半径の2倍以下である蛍光体は、量子サイズ効果により内部量子効率が増大し、発光効率が増大するので好ましい。 FIG. 6 shows changes in the internal quantum efficiency of the phosphor when the particle diameter of the core 21 is changed in the phosphor according to this example. FIG. 6 clearly shows that the internal quantum efficiency increases remarkably when the core particle size is 10 nm or less. This particle size corresponds to approximately twice the exciton Bohr radius. Here, the exciton Bohr radius indicates the spread of the existence probability of the exciton, and 4πεh 2 / me 2 (where ε is a dielectric constant, h is a Planck constant, m is an effective mass, and e is an elementary charge amount. Represented). Here, in this example, the exciton Bohr radius of the In 0.3 Ga 0.7 N semiconductor constituting the core 21 is 5 nm. Thus, a phosphor having a core particle size less than or equal to twice the exciton Bohr radius is preferable because the internal quantum efficiency is increased by the quantum size effect and the light emission efficiency is increased.

本実施例における上記コアの粒径は、特に7.5nm以下、すなわちボーア半径の3/2倍以下であれば内部量子効率がさらに顕著に増大するので好ましい。一方、量子効果が大きくなりすぎると、コアの粒径によって発光波長が大きく変化し制御が困難となる。このため、2.5nm以上、すなわちボーア半径の1/2倍以上であることが好ましい。   If the particle diameter of the core in this embodiment is 7.5 nm or less, that is, 3/2 times or less the Bohr radius, it is preferable because the internal quantum efficiency is further remarkably increased. On the other hand, if the quantum effect becomes too large, the emission wavelength varies greatly depending on the particle size of the core, making control difficult. For this reason, it is preferable that it is 2.5 nm or more, that is, 1/2 times or more of the Bohr radius.

(実施例3)
本実施例は、上記の一の発光装置、すなわち青色発光素子、実施例1の赤色蛍光体および実施例2の緑色蛍光体を用いた白色光を呈する面発光型の発光装置の例を示す。
(Example 3)
The present embodiment shows an example of the above-described one light emitting device, that is, a surface light emitting device that emits white light using the blue light emitting element, the red phosphor of the first embodiment, and the green phosphor of the second embodiment.

本実施例にかかる発光装置は、図7を参照して、支持基板101上に、III族窒化物半導体で構成された青色発光素子102が配置され、その上にInGaN半導体を母体半導体とする赤色蛍光体103とInGaN半導体を母体半導体とする緑色蛍光体104とを均一に分散させた板状のエポキシ樹脂からなる蛍光体分散層105が配置されている。励起光源である青色発光素子102のピーク波長は450nmである。青色発光素子102の大きさは300μm角であり、50μmの等間隔でアレイ状に配置されている。なお、青色発光素子102大きさおよび配置間隔は任意に設定することができる。青色発光素子102は隔壁106で仕切られていてもよい。隔壁106を設ける場合、隔壁106に入射した光が蛍光体を含む蛍光体分散層105方向へ高効率に反射されるように、隔壁106表面は光反射率の高い材料で構成されることが好ましい。   In the light emitting device according to the present embodiment, referring to FIG. 7, a blue light emitting element 102 made of a group III nitride semiconductor is disposed on a support substrate 101, and a red light having an InGaN semiconductor as a base semiconductor thereon. A phosphor dispersion layer 105 made of a plate-like epoxy resin in which a phosphor 103 and a green phosphor 104 having an InGaN semiconductor as a base semiconductor are uniformly dispersed is disposed. The peak wavelength of the blue light emitting element 102 which is an excitation light source is 450 nm. The blue light emitting elements 102 are 300 μm square and are arranged in an array at equal intervals of 50 μm. Note that the size and arrangement interval of the blue light emitting elements 102 can be arbitrarily set. The blue light emitting element 102 may be partitioned by a partition wall 106. In the case where the partition wall 106 is provided, the surface of the partition wall 106 is preferably made of a material having high light reflectance so that light incident on the partition wall 106 is reflected with high efficiency toward the phosphor dispersion layer 105 including the phosphor. .

蛍光体分散層105に分散された赤色蛍光体103は、実施例1と同様に、発光中心であるEuが1×1020cm-3の濃度で添加された粒径100nmのIn0.1Ga0.9N半導体である母体半導体が、InおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層13によって被覆されており、その蛍光ピーク波長は620nmである。 As in Example 1, the red phosphor 103 dispersed in the phosphor dispersion layer 105 has an In 0.1 Ga 0.9 N particle size of 100 nm to which Eu, which is the emission center, is added at a concentration of 1 × 10 20 cm −3. A base semiconductor, which is a semiconductor, is covered with an outer layer 13 made of an oxide of In and Ga and having a thickness of about 1 nm, and its fluorescence peak wavelength is 620 nm.

蛍光体分散層105に分散された緑色蛍光体104は、実施例2と同様に、In0.3Ga0.7N半導体からなる粒径10nmのコア21とIn0.1Ga0.9N半導体からなる粒径1.2μmのシェル22とからなる母体半導体11が、InおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層13により被覆されており、その蛍光ピーク波長は530nmである。 As in Example 2, the green phosphor 104 dispersed in the phosphor dispersion layer 105 has a core 21 made of In 0.3 Ga 0.7 N semiconductor having a particle size of 10 nm and a particle size made of In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor of 1.2 μm. The base semiconductor 11 made of the shell 22 is covered with an outer layer 13 made of In and Ga oxide and having a thickness of about 1 nm, and the fluorescence peak wavelength is 530 nm.

蛍光体分散層105への赤色蛍光体103および緑色蛍光体104の充填度とその割合は、蛍光体からの赤色発光および緑色発光が励起光の青色発光の散乱成分と混色されて白色発光を呈するように調整されている。   The degree of filling and ratio of the red phosphor 103 and the green phosphor 104 into the phosphor dispersion layer 105 is such that the red emission and the green emission from the phosphor are mixed with the blue emission scattering component of the excitation light to produce white emission. Have been adjusted so that.

青色発光素子102と赤色蛍光体103および緑色蛍光体104を含む蛍光体分散層105との距離は近いほど発光効率は高くなるので、両者は接していてもよいが、青色発光素子102からの発熱がエポキシ樹脂からなる蛍光体分散層105を劣化させないように間隙を設けてもよく、たとえばAlNまたはSiCなどで構成された光透過性の熱伝導材を間に設けることができる。   The closer the distance between the blue light emitting element 102 and the phosphor dispersion layer 105 including the red phosphor 103 and the green phosphor 104, the higher the light emission efficiency. Therefore, they may be in contact with each other, but the blue light emitting element 102 generates heat. A gap may be provided so as not to deteriorate the phosphor dispersion layer 105 made of epoxy resin. For example, a light-transmitting heat conductive material made of AlN or SiC can be provided therebetween.

励起光源の青色発光素子102に電流を流して本実施例にかかる発光装置100を駆動したところ、蛍光体分散層105の表面から白色光が放射された。このとき、本発光装置のエネルギー変換効率は80lm/Wであり、平均演色評価数はRa90であった。ここで、エネルギー変換効率とは投入電力(単位:W(ワット))に対する全光束量(単位:lm(ルーメン))の比をいい、図8の測定装置を用いることにより測定できる。また、平均演色評価数とは、基準光源による色彩再現の忠実度を表す尺度をいい、基準光にCIE昼光(色温度5000K)を用い、試験色として赤・黄・黄緑・緑・青緑・青紫・紫・赤紫(明度6、彩度7)の8色を用いて、本発光装置の演色評価数を
Ri=100−4.6×ΔEi
(ここで、iは上記8つの試験色のいずれかを表す符号で、1〜8の値をとる)
で算出し、さらに各々の演色評価数の総加平均
Ra=Σ(i=1〜8)Ri×1/8
を算出することにより求めることができる。
When the light emitting device 100 according to the present example was driven by supplying a current to the blue light emitting element 102 as the excitation light source, white light was emitted from the surface of the phosphor dispersion layer 105. At this time, the energy conversion efficiency of the light emitting device was 80 lm / W, and the average color rendering index was Ra90. Here, the energy conversion efficiency refers to the ratio of the total luminous flux (unit: lm (lumen)) to the input power (unit: W (watt)), and can be measured by using the measuring apparatus of FIG. The average color rendering index is a scale that represents the fidelity of color reproduction by a reference light source. CIE daylight (color temperature 5000K) is used as the reference light, and the test colors are red, yellow, yellow green, green, and blue. Using eight colors of green, blue-purple, purple, and magenta (lightness 6, saturation 7), the color rendering index of this light-emitting device
Ri = 100-4.6 × ΔE i
(Where i is a code representing one of the above eight test colors and takes a value of 1 to 8)
And the total arithmetic average of each color rendering index
Ra = Σ (i = 1 to 8) R i × 1/8
Can be obtained by calculating.

本実施例にかかる発光装置は、赤色蛍光体103の蛍光ピーク波長が600nm〜670nmの範囲にあり、かつ、緑色蛍光体104の蛍光ピーク波長が500nm〜540nmの範囲にあるので、いずれも単原色の色純度が高い。さらに、励起光が、青色発光素子の発光ピーク波長が440nm〜480nmの範囲内の純青色であるため、これらの混色による白色発光において優れた演色性が得られたと考えられる。   In the light emitting device according to this example, the red phosphor 103 has a fluorescence peak wavelength in the range of 600 nm to 670 nm, and the green phosphor 104 has a fluorescence peak wavelength in the range of 500 nm to 540 nm. High color purity. Furthermore, since the excitation light is pure blue having a light emission peak wavelength in the range of 440 nm to 480 nm of the blue light emitting element, it is considered that excellent color rendering properties are obtained in white light emission due to these mixed colors.

本実施例において、蛍光体の励起光源には、450nmに発光ピーク波長を有するIII族窒化物から構成される青色発光素子を用いたが、この場合、実施例1で述べたように、励起光源は380nm〜420nmに発光ピーク波長を有することが、発光素子の外部量子効率がより高くなるため、好ましい。   In this example, a blue light emitting element composed of a group III nitride having an emission peak wavelength at 450 nm was used as the phosphor excitation light source. In this case, as described in Example 1, the excitation light source was used. Has a light emission peak wavelength in the range of 380 nm to 420 nm, since the external quantum efficiency of the light emitting element becomes higher.

ここで、青色発光素子102として、III族窒化物半導体の他にMgCdZnO、ZnMgSSeなどのII−VI族化合物半導体を用いることもできる。また、発光素子の形態も、自然放出光を用いた発光素子のみならず、SLD(Super Luminescent Diode;スーパールミネッセントダイオード)や、誘導放出光を用いた半導体レーザ素子を用いてもよい。特に半導体レーザ素子はスペクトル線幅が狭く、発光ピーク波長を発光素子の外部量子効率および蛍光体の励起効率が最大となる波長に合わせ込むことにより、エネルギー変換効率の極めて高い発光装置を実現することができる。   Here, as the blue light emitting element 102, a II-VI group compound semiconductor such as MgCdZnO or ZnMgSSe can be used in addition to the group III nitride semiconductor. Further, the light emitting element may be not only a light emitting element using spontaneous emission light but also a SLD (Super Luminescent Diode) or a semiconductor laser element using stimulated emission light. In particular, a semiconductor laser device has a narrow spectral line width, and realizes a light emitting device with extremely high energy conversion efficiency by adjusting the emission peak wavelength to a wavelength that maximizes the external quantum efficiency of the light emitting device and the excitation efficiency of the phosphor. Can do.

また、蛍光体が分散される蛍光体分散層105に用いる有機樹脂としては、吸湿性が低く耐久性と寸法安定性に優れたエポキシ樹脂の他、可視光の透過性に優れたアクリル樹脂、紫外線劣化に強いシリコン樹脂あるいはポリカーボネート樹脂などが適している。また、これらを組み合わせて用いてもよく、たとえば、励起光源側にはシリコン樹脂を、反対側の光放射面にはエポキシ樹脂を用いた2層構造とすることによって、励起光の短波長成分および外気のいずれに対しても耐久性が向上する。また、上記蛍光体分散層にはガラスを用いてもよく、上記有機樹脂に比べ可視光の透過性、耐久性などの点においてさらに優れている。   Moreover, as an organic resin used for the phosphor dispersion layer 105 in which the phosphor is dispersed, an epoxy resin having a low hygroscopic property and an excellent durability and dimensional stability, an acrylic resin having an excellent visible light transmission property, and an ultraviolet ray. Silicon resin or polycarbonate resin that is resistant to deterioration is suitable. These may be used in combination. For example, by forming a two-layer structure using a silicon resin on the excitation light source side and an epoxy resin on the opposite light emission surface, the short wavelength component of the excitation light and Durability is improved against any outside air. Further, glass may be used for the phosphor dispersion layer, which is further superior in terms of visible light transmission, durability and the like as compared with the organic resin.

また、支持基板101は、アレイ状の青色発光素子102および蛍光体分散層105を支持できれば、その材質は任意のもの、たとえば、ガラス、プラスチック、セラミックスなどを用いてよい。また、サファイアなどIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長用基板を用いることもできる。さらに、青色発光素子をアレイ状に作り付けた基板をそのまま支持基板として用いれば、青色発光素子の配置および配線の手間を大幅に省くことができる。   The support substrate 101 may be made of any material, for example, glass, plastic, ceramics, etc., as long as it can support the arrayed blue light emitting elements 102 and the phosphor dispersion layer 105. A substrate for epitaxial growth of a group III nitride semiconductor such as sapphire can also be used. Furthermore, if a substrate on which blue light emitting elements are formed in an array is used as it is as a supporting substrate, the arrangement of the blue light emitting elements and the labor of wiring can be saved greatly.

面内で色ムラの無い均一な発光を得るために、青色発光素子と蛍光体分散層の間に導光板を設けてもよく、その場合には青色発光素子は発光装置の側面に取り付けてもよい。さらに、蛍光体分散層中にはシリカ微粒子などの光拡散材を分散させてもよい。光拡散材は、自身は光を吸収せず散乱させる働きを有し、蛍光体分散層中に分散したの赤色蛍光体および緑色蛍光体からの赤色光および緑色光ならびに青色発光素子からの青色光を均一に混色する働きを有する。これによって白色光の色ムラを防止し、白色光の視認性を向上させることができる。   In order to obtain uniform light emission with no color unevenness in the surface, a light guide plate may be provided between the blue light emitting element and the phosphor dispersion layer. In that case, the blue light emitting element may be attached to the side surface of the light emitting device. Good. Further, a light diffusing material such as silica fine particles may be dispersed in the phosphor dispersion layer. The light diffusing material itself has a function of scattering without absorbing light, and red light and green light from the red phosphor and green phosphor dispersed in the phosphor dispersion layer and blue light from the blue light emitting element. Has the function of mixing the colors uniformly. As a result, the color unevenness of white light can be prevented and the visibility of white light can be improved.

また、支持基板の蛍光分散層側とは反対側の面には、励起光および2次光を反射する反射板を設けてもよい。反射板を設けることにより、発光装置から放射される光の損失を抑制して発光に寄与させることができ、発光装置の効率が格段に向上する。   Further, a reflection plate that reflects excitation light and secondary light may be provided on the surface of the support substrate opposite to the fluorescent dispersion layer side. By providing the reflecting plate, it is possible to contribute to light emission by suppressing loss of light emitted from the light emitting device, and the efficiency of the light emitting device is significantly improved.

さらに、青色発光素子と蛍光体分散層との間には、380nmより小さい波長の光を遮蔽する光学フィルタが設けられていてもよい。かかる光学フィルタを設けることにより、励起光源スペクトルの裾部にわずかながら含まれる紫外光成分を遮蔽することができる。この紫外線成分は上記蛍光体の励起に寄与せず、また蛍光体分散層の材質が有機樹脂である場合にはこれが劣化する要因となる。すなわち、光学フィルタを設けることによって、発光装置の信頼性を格段に向上させることができる。   Furthermore, an optical filter that shields light having a wavelength smaller than 380 nm may be provided between the blue light emitting element and the phosphor dispersion layer. By providing such an optical filter, it is possible to shield an ultraviolet light component slightly contained in the bottom of the excitation light source spectrum. This ultraviolet component does not contribute to the excitation of the phosphor, and when the material of the phosphor dispersion layer is an organic resin, this becomes a factor of deterioration. That is, by providing an optical filter, the reliability of the light emitting device can be significantly improved.

(実施例4)
本実施例は、上記の別の発光装置、すなわち青色発光素子、実施例1の赤色蛍光体および実施例2の緑色蛍光体に加えて、青色蛍光体を用いた白色光を呈する面発光型の発光装置の例を示す。
Example 4
In this example, in addition to the above-described another light emitting device, that is, a blue light emitting element, the red phosphor of Example 1, and the green phosphor of Example 2, a surface-emitting type that exhibits white light using a blue phosphor. The example of a light-emitting device is shown.

本実施例において、上記赤色蛍光体および緑色蛍光体とともに蛍光体分散層に分散された青色蛍光体は、InN半導体からなる粒径4.5nmのコア21とIn0.1Ga0.9N半導体からなる粒径1.2μmのシェル22とからなる母体半導体11が、InおよびGaの酸化物からなる厚さ約1nmの外層13により被覆されており、その蛍光ピーク波長は425nmである。また、励起光源としては、III族窒化物半導体から構成される発光ピーク波長が455nmの青色発光素子を用いた。その他の構成は、実施例3と同様である。 In this example, the blue phosphor dispersed in the phosphor dispersion layer together with the red phosphor and the green phosphor is a core 21 made of an InN semiconductor and having a particle size of 4.5 nm and an In 0.1 Ga 0.9 N semiconductor. A base semiconductor 11 made of a 1.2 μm shell 22 is covered with an outer layer 13 made of an oxide of In and Ga and having a thickness of about 1 nm, and its fluorescence peak wavelength is 425 nm. As the excitation light source, a blue light-emitting element having an emission peak wavelength of 455 nm composed of a group III nitride semiconductor was used. Other configurations are the same as those of the third embodiment.

本実施例においては、励起光源とは独立に青色発光を呈する蛍光体を用いたので、励起光源の吸収と散乱を制御する必要が無く、中における蛍光体の充填度を向上させることができる。また、青色蛍光体の蛍光波長と、青色発光素子の発光波長とを互いに独立に制御することができるため、演色性が向上する。また、白色発光の演色性の向上の点から、青色蛍光体の蛍光ピーク波長は420nm〜480nmの範囲にあることが好ましく、440nm〜460nmの範囲にあることがより好ましい。   In the present embodiment, since a phosphor that emits blue light independently of the excitation light source is used, it is not necessary to control the absorption and scattering of the excitation light source, and the filling degree of the phosphor inside can be improved. Further, since the fluorescence wavelength of the blue phosphor and the emission wavelength of the blue light emitting element can be controlled independently of each other, the color rendering is improved. Further, from the viewpoint of improving the color rendering properties of white light emission, the fluorescence peak wavelength of the blue phosphor is preferably in the range of 420 nm to 480 nm, and more preferably in the range of 440 nm to 460 nm.

本実施例にかかる発光装置のエネルギー変換効率は90lm/Wであり、実施例3よりもさらにエネルギー変換効率が向上した。これは、青色発光素子の発光ピーク波長を、外部量子効率が最も高くなる405nmに設定したことによるものと考えられる。   The energy conversion efficiency of the light emitting device according to this example was 90 lm / W, and the energy conversion efficiency was further improved as compared with Example 3. This is considered to be due to the fact that the emission peak wavelength of the blue light emitting element is set to 405 nm at which the external quantum efficiency is the highest.

なお、本発明にかかる蛍光体は、上記実施例に示した面発光型の発光装置の他、光漏曳ファイバを用いた線状発光型の発光装置、発光素子の形状に代表される点発光型の発光装置に適用することもでき、その場合でも同様の効果を奏する。   Note that the phosphor according to the present invention is not only the surface light emitting device shown in the above embodiment, but also a linear light emitting device using a light leakage fiber, and a point light emission represented by the shape of the light emitting element. The present invention can also be applied to a light emitting device of a type, and the same effect can be obtained even in that case.

上記のように、本発明は、発光効率および信頼性の向上を目的として、蛍光体およびその製造方法ならびに発光装置に広く利用することができる。かかる蛍光体および発光装置は、たとえば、フルカラーの表示装置や液晶パネルのバックライトなどの照明装置に用いられる。   As described above, the present invention can be widely used in phosphors, methods for manufacturing the same, and light emitting devices for the purpose of improving luminous efficiency and reliability. Such phosphors and light-emitting devices are used, for example, in lighting devices such as full-color display devices and liquid crystal panel backlights.

本発明にかかる一の蛍光体を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one fluorescent substance concerning this invention. 本発明にかかる一の蛍光体の発光機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the light emission mechanism of one fluorescent substance concerning this invention. 本発明にかかる別の蛍光体を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows another fluorescent substance concerning this invention. 本発明にかかる別の蛍光体の発光機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the light emission mechanism of another fluorescent substance concerning this invention. 本発明において用いられる一のレーザアブレーション装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one laser ablation apparatus used in this invention. 本発明にかかる別の蛍光体において、コアの粒径を変化させた時における蛍光体の内部量子効率の変化を示す図である。In another fluorescent substance concerning this invention, it is a figure which shows the change of the internal quantum efficiency of a fluorescent substance when the particle size of a core is changed. 本発明にかかる一の発光装置を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one light-emitting device concerning this invention. 本発明にかかる蛍光体および発光装置の内部量子効率、外部量子効率およびパワー変換効率の測定装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measuring apparatus of the internal quantum efficiency of the fluorescent substance concerning this invention, and a light-emitting device, external quantum efficiency, and power conversion efficiency.

符号の説明Explanation of symbols

10,20 蛍光体、11 母体半導体、12 発光中心、13 外層、21 コア、22 シェル、100 発光装置、101 支持基板、102 青色発光素子、103 赤色蛍光体、104 緑色蛍光体、105 蛍光体分散層、106 隔壁、200 レーザアブレーション装置、201 成長室、202 基板ホルダー、203 基板、204 ヒータ、205 ターゲットテーブル、206 原料ターゲット、207 ビューポート、208 パルスレーザ光、209 ラジカルセル、210 ガス導入管、300 測定装置、301 励起光源、302 モノクロメータ、303 ミラー、304 積分球、305 入射孔、306 測定孔、307 測定試料、308 出射孔、309 分光器、310 制御用コンピュータ。   10, 20 phosphor, 11 host semiconductor, 12 emission center, 13 outer layer, 21 core, 22 shell, 100 light emitting device, 101 support substrate, 102 blue light emitting element, 103 red phosphor, 104 green phosphor, 105 phosphor dispersion Layer, 106 partition, 200 laser ablation apparatus, 201 growth chamber, 202 substrate holder, 203 substrate, 204 heater, 205 target table, 206 raw material target, 207 viewport, 208 pulse laser beam, 209 radical cell, 210 gas introduction tube, 300 measurement apparatus, 301 excitation light source, 302 monochromator, 303 mirror, 304 integrating sphere, 305 entrance hole, 306 measurement hole, 307 measurement sample, 308 exit hole, 309 spectrometer, 310 computer for control.

Claims (10)

III族窒化物半導体からなる母体半導体が、前記母体半導体をなす前記III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなり前記III族窒化物半導体のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する外層により被覆されており、
前記母体半導体には発光中心が添加され、
前記母体半導体に吸収された励起光のエネルギーが前記発光中心に遷移して、前記発光中心が軌道電子の殻内遷移により発光する蛍光体。
Matrix semiconductor composed of a group III nitride semiconductor, have a band gap larger than the band gap of the previous SL III nitride semiconductor made of an oxide of a group III element constituting said III-nitride semiconductor forming the matrix semiconductor is covered by the outer layer you,
An emission center is added to the base semiconductor,
A phosphor in which the energy of excitation light absorbed by the host semiconductor transitions to the emission center, and the emission center emits light by intraorbital electron transition.
前記母体半導体の粒径が、励起子ボーア半径の2倍以下である請求項1に記載の蛍光体。   The phosphor according to claim 1, wherein a particle size of the base semiconductor is not more than twice an exciton Bohr radius. 前記発光中心が、遷移元素からなる群から選択される少なくとも1の元素である請求項1に記載の蛍光体。   The phosphor according to claim 1, wherein the emission center is at least one element selected from the group consisting of transition elements. 前記遷移元素が、希土類元素である請求項3に記載の蛍光体。   The phosphor according to claim 3, wherein the transition element is a rare earth element. 前記母体半導体をなす前記III族窒化物半導体が、III族元素として少なくともInを含む窒化物半導体である請求項1に記載の蛍光体。   The phosphor according to claim 1, wherein the group III nitride semiconductor constituting the base semiconductor is a nitride semiconductor containing at least In as a group III element. 前記母体半導体をなす前記III族窒化物半導体は、その吸収端の波長が420nmとなるようにIn組成比が調整されている請求項に記載の蛍光体。 6. The phosphor according to claim 5 , wherein an In composition ratio of the group III nitride semiconductor forming the base semiconductor is adjusted so that a wavelength of an absorption edge thereof is 420 nm. 請求項1の蛍光体の製造方法であって、
III族窒化物半導体からなる母体半導体をレーザアブレーション法により形成する工程と、前記母体半導体に酸素を供給することにより、前記III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層で前記母体半導体を被覆する工程とを含む蛍光体の製造方法。
It is a manufacturing method of the fluorescent substance of Claim 1, Comprising:
A step of forming a base semiconductor composed of a group III nitride semiconductor by a laser ablation method, and supplying an oxygen to the base semiconductor to form an outer layer composed of an oxide of a group III element constituting the group III nitride semiconductor. A method of manufacturing a phosphor, comprising a step of coating a base semiconductor.
請求項1の蛍光体の製造方法であって、
III族窒化物半導体からなる母体半導体を化学合成法により形成する工程と、前記母体半導体を媒体中で酸化することにより、前記III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなる外層で前記母体半導体を被覆する工程とを含む蛍光体の製造方法。
It is a manufacturing method of the fluorescent substance of Claim 1, Comprising:
A step of forming a base semiconductor made of a group III nitride semiconductor by a chemical synthesis method, and an outer layer made of an oxide of a group III element constituting the group III nitride semiconductor by oxidizing the base semiconductor in a medium And a step of coating the base semiconductor.
請求項1の蛍光体のうち励起によりピーク波長が600nm〜670nmの範囲にある赤色を呈する赤色蛍光体と
III族窒化物半導体からなる母体半導体と、前記III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなり前記母体半導体を被覆する外層と、を有し励起によりピーク波長が500nm〜540nmの範囲にある緑色を呈する緑色蛍光体と、を含み、
前記赤色蛍光体および前記緑色蛍光体を青色発光素子とともに励起して混色することにより白色発光を得る発光装置。
A red phosphor that exhibits red peak wavelength is in the range of 600nm~670nm by Uchi励 force of the phosphor of claim 1,
A peak semiconductor having a peak wavelength of 500 nm to 540 nm by excitation , comprising a parent semiconductor comprising a group III nitride semiconductor and an outer layer comprising an oxide of a group III element constituting the group III nitride semiconductor and covering the parent semiconductor anda green phosphor exhibited green in,
A light emitting device that emits white light by exciting and mixing the red phosphor and the green phosphor together with a blue light emitting element.
III族窒化物半導体からなる母体半導体と、前記III族窒化物半導体を構成するIII族元素の酸化物からなり前記母体半導体を被覆する外層と、を有し励起によりピーク波長が420nm〜480nmの範囲にある青色を呈する青色蛍光体をさらに含み、
前記赤色蛍光体、前記緑色蛍光体および前記青色蛍光体を前記青色発光素子とともに励起して混色することにより白色発光を得る請求項に記載の発光装置。
A peak semiconductor having a peak wavelength of 420 nm to 480 nm by excitation , comprising: a base semiconductor comprising a group III nitride semiconductor; and an outer layer comprising an oxide of a group III element constituting the group III nitride semiconductor and covering the base semiconductor. Further including a blue phosphor presenting in blue,
The light emitting device according to claim 9 , wherein the red phosphor, the green phosphor, and the blue phosphor are excited and mixed with the blue light emitting element to obtain white light emission.
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