JP5946036B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
高輝度LEDでは、光強度の高い光を放出するとともに、大電流に伴う熱が多量に放出される。LEDの各構成部材は、長期間、強い光に曝され、高温下に配置されることとなるので、高い耐光性及び高い耐熱性を具備することが必要とされる。
第1のタイプは、一つのパッケージの中に赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子を備えた白色LEDである。
このタイプは、一つのパッケージの中にエポキシ樹脂等の結合剤(バインダー)を必要とせず、発光素子のみで構成できるので、高い耐光性及び高い耐熱性を具備するようにできる。しかし、3色の発光素子の輝度・色調の調整が難しく、回路構成が複雑となり、製造コストが高くなるという問題がある。
また、第3のタイプは、一つのパッケージの中に青色発光素子と、発光素子を覆うエポキシ樹脂等の結合剤(バインダー)中に青色光励起赤色蛍光体、青色光励起緑色蛍光体を分散させた白色LEDである。
しかし、これらのタイプはいずれも、バインダーを備える構成であり、バインダーが、長期間、強い光に曝され、高温下に配置されることにより、劣化し、着色を生じ、光の透過率を低下させ、発光効率を低下させるという問題がある。
また、大電流を流し、高輝度で発光させた場合、バインダーの劣化だけでなく、蛍光体の特性低下の発生も生じる場合がある(非特許文献2)。
本発明は、以下の構成を有する。
(3)0.05≦x≦0.3であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のUV光励起赤色発光材料。
(4)Mの一部が第3族金属元素、第4族金属元素、第5族金属元素、第13族金属元素、第14族金属元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素で置換されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のUV光励起赤色発光材料。
(6)Fの一部がCl、Br、Iの群から選択されるいずれか1又は2以上の元素であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のUV光励起赤色発光材料。
(7)(1)〜(6)のいずれかに記載のUV光励起赤色発光材料からなる板材と、光出射面を有するUV発光素子と、を有し、前記板材の一面と前記光出射面が対向するように、前記UV発光素子に対して前記UV光励起赤色発光材料が配置されていることを特徴とする発光装置。
(9)前記UV発光素子の光出射面に接してUV光励起赤色発光材料が配置されていることを特徴とする(7)に記載の発光装置。
(10)前記UV発光素子の光出射面に離間してUV光励起赤色発光材料が配置されていることを特徴とする(7)に記載の発光装置。
(12)前記UV光励起青色発光材料がCe:R2SiO5(RはLu、Y、Gdのいずれか1種又は2種以上)単結晶であることを特徴とする(11)に記載の発光装置。
(13)前記UV光励起黄色発光材料がセリウム添加テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であることを特徴とする(11)又は(12)に記載の発光装置。
<UV光励起赤色発光材料>
まず、本発明の実施形態であるUV光励起赤色発光材料について説明する。
本発明の実施形態であるUV光励起赤色発光材料は、化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶(以下、BaEuF系単結晶と称する場合がある。)からなる。また、前記化学式でMがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素であり、REが希土類元素である。更にまた、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5である。
また、REの一部がSc、Y及び希土類元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素であってもよい。
更にまた、Fの一部がCl、Br、Iの群から選択されるいずれか1又は2以上の元素であってもよい。
更にまた、前記単結晶は、比較的低温で結晶成長させることが可能であるとともに、その製造コストも低くすることができる。
次に、本発明の実施形態であるUV光励起赤色発光材料の製造方法について説明する。
本発明の実施形態であるUV光励起赤色発光材料は、溶融凝固法により、例えば、次のようにして、成長させることができる。
まず、所定の材料を所定のモル比で量りとる。
次に、秤量した材料を、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却する。
以上の工程により、本発明の実施形態である化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物の単結晶体からなるUV光励起赤色発光材料を製造することができる。
まず、所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後、CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却して、略円板状の第1の単結晶を形成する。
次に、前記第1の単結晶から棒状の種結晶を切り出す。
次に、高周波発振器(30kW)に接続された高周波コイルにより、るつぼを加熱して、るつぼ内で混合材料をゆっくり溶融する。
これにより、棒の一端側から棒の周りに単結晶を形成することができる。
以上の工程により、本発明の実施形態である化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物の単結晶体からなるUV光励起赤色発光材料を製造することができる。
ブリッジマン法による結晶育成は例えば以下のようである。
るつぼ内に所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で撹拌した後、チャンバ内にるつぼを設置する。
その後真空ポンプにより高真空にすることで効率的に水分を除去し、その高真空を保ったまま、るつぼ周囲に配置された抵抗加熱型の加熱源に通電し、るつぼ内の材料を溶解する。なお、前記加熱源は上方が材料の融点より温度が高く下方が材料の融点より温度が低い温度勾配を有している。
材料が溶解した後、融点より温度が高い上方から融点より温度の低い下方に向かいるつぼを移動させる。この際、融点、あるいはそれよりも温度が低い所に来た溶液が単結晶化し、これを連続的に行うことで単結晶を連続的に育成することができる。
しかし、製造方法はこれらの方法に限られるものではなく、浮遊帯域法(FZ:floating zone法)、マイクロ引き下げ法(μ−PD法:μ−Pulling Down法)、帯溶融法(Zone melting法)等の方法を用いても良い。
次に、本発明の第1の実施形態である発光装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態である発光装置1の模式図であり、発光装置1の断面図(a)及び発光装置1を構成する発光素子10及びその周辺部の断面図(b)である。
セラミック基板3は、Al2O3等のセラミックからなる板状部材である。表面に、タングステン等の金属からなる配線部31、32がパターン形成されている。
本体4は、セラミック基板3上に形成された白色の樹脂からなる部材であり、その中央部に開口部4Aが形成されている。開口部4Aは、セラミック基板3側から外部に向かって徐々に開口幅が大きくなるテーパ状に形成されている。開口部4Aの内面は、UV発光素子10からの光を外部に向かって反射する反射面40とされている。
UV発光素子10は、250〜425nmの範囲に発光ピーク波長を有する紫外(UV)光を発光させることが可能なフリップチップ型素子が用いられている。材料としては、AlGaN系化合物半導体を用いることができる。
なお、光出射面は、UV発光素子の面であって、素子の内部から外部に光出射される面である。特に、出射される光の量が多い面である。
本発明の実施形態であるUV光励起赤色発光材料2は、単一の単結晶からなる平板状なので、素子基板11に対向する第1の面2aを、素子基板11の第2の主面11bとの間にエポキシ樹脂を介在させることなく、素子基板11に直接接触させて固定することができる。UV光励起赤色発光材料2の固定方法としては、金属片を用いて固定する方法等がある。
ここで、単一の単結晶とは、第2の主面11bと同等もしくはそれ以上の大きさを有し、実質的に全体が一つの単結晶とみなせるものをいう。
第1の面2aを、素子基板11の第2の主面11bとの間にエポキシ樹脂を介在させることなく、素子基板11に直接接触させて固定することにより、UV発光素子10からの出射光の光の損失を少なくしてUV光励起赤色発光材料2に入射させることができ、UV光励起赤色発光材料2の発光効率を向上させることができる。
図1に示す本発明の第1の実施形態である発光装置で、UV発光素子10に通電すると、配線部31、n側電極15A、及びn型AlGaN:Si層12を介して電子が発光層13に注入され、また配線部32、p側電極15B、及びp型AlGaN:Mg層14を介して正孔が発光層13に注入されて、発光層13がUV発光する。発光層13のUV光は、n型AlGaN:Si層12及び素子基板11を透過して素子基板11の第2の主面11bから出射され、UV光励起赤色発光材料2の第1の面2aに入射する。
また、粒状の多数の蛍光体を結合した場合に比較して、単一の単結晶からなる平板状のUV光励起赤色発光材料2は表面積を小さくでき、外部環境の影響による特性劣化を抑制できる。
また、単一の単結晶からなる平板状のUV光励起赤色発光材料2を用いる構成なので、UV光励起赤色発光材料2の量子効率を高めて、発光装置の発光効率を高めることができる。
また、本発明の第1の実施形態である発光装置1は、本発明の第1の実施形態であるUV光励起赤色発光材料2であるBaEuF系単結晶を用いる構成なので、UV発光素子からのUV光をUV光励起赤色発光材料2に効率よく吸収させて、高量子効率で、赤色系の光を高輝度で発光させることができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図2は、本発明の第2の実施形態である発光装置の模式図であり、発光装置の断面図(a)、発光装置を構成する発光素子及びその周辺部の断面図(b)及び発光装置を構成する発光素子の平面図(c)である。
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図3は、本発明の第3の実施形態である発光装置の断面図である。
本発明の第3の実施形態である発光装置1Bは、発光素子の発光光を単一の単結晶からなるUV光励起赤色発光材料に入射して波長変換する構成は第1の実施形態に係る発光装置1と共通するが、UV光励起赤色発光材料の配置位置が第1の実施形態とは異なっている。以下、第1又は第2の実施形態について説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置1Bの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第4の実施形態である発光装置の断面図である。
図4に示すように、本発明の第4の実施形態である発光装置1Cは、UV発光素子と、UV発光素子が実装される基板及びUV光励起赤色発光材料との位置関係が第3の実施形態とは異なっている。以下、第1、第2又は第3の実施形態について説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置1Cの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
透明基板6は、例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂、PET等透光性をもつ樹脂、又はガラス状物質、サファイア、セラミックス、石英、AlN等単結晶若しくは多結晶からなる透光性をもつ部材からなり、UV発光素子10AのUV光を透過させる透光性及び絶縁性を有している。また、透明基板6には、配線部61,62の一部が接合されている。UV発光素子10Aのn側電極及びp側電極と配線部61,62の一端部との間は、ボンディングワイヤ611,621により電気的に接続されている。
UV光励起赤色発光材料122に入射したUV光はUV光励起赤色発光材料122に吸収されて波長変換される。このように、発光装置1Cは、UV光励起赤色発光材料122で波長変換された赤色光を放射する。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図5は、本発明の第5の実施形態である発光装置の模式図であり、発光装置の断面図(a)、発光装置を構成する発光素子の断面図(b)である。
図5(a)に示すように、本発明の第5の実施形態である発光装置1Dでは、UV発光素子の構成及びその配置が第3の実施形態とは異なっている。以下、第1、第2又は第3の実施形態について説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置1Dの構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
UV発光素子7は、図5(b)に示すように、β‐Ga2O3基板70、バッファ層71、Siドープのn+−GaN層72、Siドープのn−AlGaN層73、MQW(Multiple−Quantum Well)層74、Mgドープのp−AlGaN層75、Mgドープのp+−GaN層76、p電極77をこの順に積層して形成されている。また、β‐Ga2O3基板70のバッファ層71と反対側の面には、n電極78が設けられている。
本実施形態によっても、第3の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。
図6は、本発明の第6の実施形態である発光装置の断面図である。
図6に示すように、本実施形態では、UV発光素子上のUV光励起赤色発光材料上にUV光励起黄色発光材料が配置されており、前記UV光励起黄色発光材料上にUV光励起青色発光材料が配置された他は第1の実施形態の構成と同様とされている。以下、前に説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。
図7は、本発明の第7の実施形態である発光装置の断面図である。
図7に示すように、本実施形態では、UV発光素子上のUV光励起赤色発光材料上にUV光励起黄色発光材料が配置されており、前記UV光励起黄色発光材料上にUV光励起青色発光材料が配置された他は第2の実施形態の構成と同様とされている。以下、前に説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第8の実施形態について説明する。
図8は、本発明の第8の実施形態である発光装置の断面図である。
図8に示すように、本実施形態では、UV光励起赤色発光材料上にUV光励起黄色発光材料が配置されており、前記UV光励起黄色発光材料上にUV光励起青色発光材料が配置された他は第3の実施形態の構成と同様とされている。以下、前に説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第9の実施形態について説明する。
図9は、本発明の第9の実施形態である発光装置の断面図である。
図9に示すように、本実施形態では、UV光励起赤色発光材料上にUV光励起黄色発光材料が配置されており、前記UV光励起黄色発光材料上にUV光励起青色発光材料が配置された他は第4の実施形態の構成と同様とされている。以下、前に説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第10の実施形態について説明する。
図10は、本発明の第10の実施形態である発光装置の断面図である。
図10に示すように、本実施形態では、UV光励起赤色発光材料上にUV光励起黄色発光材料が配置されており、前記UV光励起黄色発光材料上にUV光励起青色発光材料が配置された他は第5の実施形態の構成と同様とされている。以下、前に説明したものと同一の機能及び構成を有する発光装置の構成要素については共通する符号を付して説明を省略する。
また、本発明の第6〜第10の実施形態では、UV光励起黄色発光材料はセリウム添加テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であることが好ましい。
具体的には、化学式((Tb1−zCez)1−yLy)a(M1−xNx)bAlcO12−wで表される単結晶からなるUV光励起黄色発光材料が好ましい。上記式中、LはSc、Y、Lu、Yb、Tm、Mg、Ca、Hf又はZrのいずれか1種又は2種以上を表し、MはScを表し、NはTb、Ce、Y、Lu、Yb、Tm、Mg、Ca、Hf又はZrのいずれか1種又は2種以上を表す。a、b、c、x、y、z及びwはそれぞれ、2.5≦a≦3.5、0≦b≦2.5、2.5≦c≦5.5、0≦x≦1、0≦y≦0.5、0.0001≦z≦0.05、0≦w≦0.5を満たす。
この材料も、高輝度発光するとともに、所定の大きさへの加工及びUV発光素子又は発光装置への取り付けが容易であるためである。
なお、発光装置の形状は上記形状に限定されるものではない。
また、一つの発光装置が複数のUV発光素子を有する構成としてもよい。
更にまた、更に色調の異なる緑色蛍光体等の単結晶材料を組み合わせても良い。
<実施例1サンプル作製>
BaF2(形状:粉末、純度:99.99%以上)と、EuF3(形状:粉末、純度:99.99%以上)とを原料として用いた。
次に、秤量したBaF2およびEuF3を、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後CF4(>99.99%)雰囲気とし、徐々に溶解させた後、徐々に冷却して、溶融凝固法により円板状の単結晶(実施例1サンプル)を形成した。
図11は、実施例1サンプルを示す写真である。
図11に示すように、実施例1サンプルの単結晶の直径は4cmであった。また、長さは0.5cmであった。
次に、切り出した試料の全面を鏡面研磨して、測定用の実施例1サンプルとした。
この単結晶の透過スペクトル、蛍光スペクトル及び励起スペクトルを測定した。図12、13、14にその結果を示す。
透過スペクトルでは、200〜400nmに吸収ピークが見られた。
蛍光スペクトルでは、590nm近傍、700nm近傍に強度の高いピークが見られ、620nm近傍、650nm近傍に強度の弱いピークが見られた。Ba0.875Eu0.125F2.125(実施例1サンプル)は、590nmの第1の発光ピーク波長、700nmの第2の発光ピーク波長、690nmの第3の発光ピーク波長、620nmの第4の発光ピーク波長及び645nmの第5の発光ピーク波長を有する赤色の発光を示した。
励起スペクトルでは、200〜400nmの範囲に、励起ピークが見られた。
まず、AlGaN層を発光層とするUV発光素子を用意した。
次に、Ba0.875Eu0.125F2.125(実施例1サンプル)を軸方向に垂直な面でダイシングして平面視円形状としてから、これをUV発光素子の素子基板の第2の主面の大きさに合わせ、更に切断した。
次に、この単結晶板を、このUV発光素子の素子基板の第2の主面に接合した。
次に、UV発光素子の電極をバンプにより、セラミック基板に形成した配線部に接合した。
以上の工程により、図1に示す発光装置(実施例1の発光装置)を作製した。
配線部から通電することにより、高輝度な赤色発光を得た。
まず、実施例1と同様にして、図1に示す発光装置(実施例1の発光装置)を作製した。
次に、黄色蛍光体であるCe:TSAG単結晶板を用意し、これをUV発光素子の素子基板の第2の主面の大きさに合わせ、切断した。
次に、切断したCe:TSAG単結晶板を、実施例1の発光装置のBa0.875Eu0.125F2.125(実施例1サンプル)の単結晶板に接合した。
次に、青色蛍光体であるCe:Lu2SiO5(LSO)単結晶板を用意し、これをCe:TSAG単結晶板の大きさに合わせ、切断した。
次に、切断したCe:Lu2SiO5(LSO)単結晶板を、実施例1の発光装置のCe:TSAG単結晶板に接合した。
以上の工程により、図6に示す発光装置(実施例2の発光装置)を作製した。
配線部から通電することにより、高輝度な白色発光を得た。
Claims (8)
- UV光励起赤色発光材料と、前記UV光励起赤色発光材料に接して配置されたUV光励起黄色発光材料と、前記UV光励起黄色発光材料に接して配置されたUV光励起青色発光材料とからなる板材と、
光出射面を有するUV発光素子と
を有し、
前記UV光励起赤色発光材料は、化学式M1−xRExF2+x−wで表されるフッ化物単結晶からなり、前記化学式で前記MがBe、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素であり、前記REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5であり、
前記UV光励起黄色発光材料は、セリウム添加テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であり、
前記板材の一面と前記光出射面とが対向するように、前記UV発光素子に対して前記UV光励起赤色発光材料が配置されている、発光装置。 - 前記MがBaであり、前記REがEuであることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 0.05≦x≦0.3であることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記UV発光素子のピーク波長が250nm以上425nm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記UV発光素子の前記光出射面に接して前記UV光励起赤色発光材料が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記UV発光素子の前記光出射面に離間して前記UV光励起赤色発光材料が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記UV光励起青色発光材料がCe:R2SiO5(RはLu、Y、Gdのいずれか1種または2種以上)単結晶であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- UV光励起赤色発光材料と、前記UV光励起赤色発光材料に接して配置されたUV光励起黄色発光材料と、前記UV光励起黄色発光材料に接して配置されたUV光励起青色発光材料とからなる板材と、
光出射面を有するUV発光素子と
を有し、
前記UV光励起赤色発光材料は、化学式M 1−x RE x F 2+x−w で表されるフッ化物単結晶からなり、前記化学式で前記Mは、Be、Mg、Ca、Sr、Baの群から選択される1又は2以上の第2族金属元素と、第3族金属元素、第4族金属元素、第5族金属元素、第13族金属元素および第14族金属元素の群から選択されるいずれか1又は2以上の元素とからなり、REが希土類元素であり、0<x≦0.4であり、0≦w≦0.5であり、
前記UV光励起黄色発光材料は、セリウム添加テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であり、
前記板材の一面と前記光出射面とが対向するように、前記UV発光素子に対して前記UV光励起赤色発光材料が配置されている、発光装置。
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