JP6744817B2 - 波長変換用接合体 - Google Patents

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本発明は、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)などの半導体発光デバイスに用いられる波長変換用接合体に関する。
青色LEDチップと、青色光を黄色に変換するYAGとを組み合わせた白色LED照明装置が知られている。このような照明装置は、白熱電球などに比べて発光効率が高く、長寿命でかつ装置の小型化や消費電力の削減が可能であり、さらなる効率・信頼性の向上や、高出力化に向けて開発が進んでいる。
また、パソコンやメモリカードからの画像データをスクリーンに投影するためのプロジェクタにおいても、従来は高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、LEDやLDを用いた装置が開発されている。なかでも、LDは、LEDのように波長や振幅にバラつきがなく、可視光線から中赤外線までの様々な波長領域において光を出力できることから、発光効率の高い光源として開発されている。ただし、波長500〜600nmの可視光線、および波長2〜5μmの近赤外線から中赤外線までの波長領域では、LD光源から直接光を発生することが困難であるため、非線形光学効果を利用した波長変換が用いられている。
これまでに様々な形態の波長変換素子が報告されているが、例えば、特許文献1には、n−型領域とp−型領域との間に発光層を有し、さらに、該発光層によって放射される光の光路にセラミック層が組み合わされた半導体発光装置において、サファイアの成長基板上にYAG:Ceセラミック層が形成された波長変換素子が開示されている。特許文献1では、サファイアの成長基板上にYAG:Ceセラミック層をキャストしてセラミック生形体を得た後、この成形体を焼結することで、成長基板とセラミック層とを一体化させている。
特許文献2には、成長基板の上に、n−型領域とp−型領域との間に堆積された発光層を含む半導体構造体を成長させ、該半導体構造体の上に、さらに、ホストと発光材料を含むセラミック層とを含む複合基板を接合した波長変換素子が開示されている。特許文献2では、YAG:Ceセラミックグリーン体をサファイア・ホスト材料と重ね、セラミック・バインダを500〜600℃の温度下に空気中で燃焼させ、次いで、スタックを加圧ダイに送った後、1500〜1800℃で2〜12時間、真空加圧して発光セラミックとホストとの接合体を形成している。
特表2008−502131号公報 特開2007−150331号公報
しかしながら、特許文献1では、YAG:Ceセラミック成形体を焼結させるために、焼結後、サファイアの成長基板に比べて、YAG:Ceセラミック層が大きく収縮するために、成長基板とセラミック層とを一体化させた後、波長変換素子に歪みが生じ、これが反りの発生、強度の低下の原因となっていた。
また、特許文献2では、YAG:Ceセラミックグリーン体とサファイア・ホスト材料とを加圧しながら共焼成するために、YAG:Ceセラミックグリーン体とサファイア・ホスト材料との間の接触面積は大きくなるものの、得られる接合体の機械的強度や光学的特性を改善するのに、必要に応じて、アニーリングや表面研磨等の処理がさらに必要であり、改善の余地があった。
本発明は、上記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、高い光透過性を有し、かつ、焼結しても強度を維持することができる波長変換用接合体を提供することを課題とする。
本発明の波長変換用接合体は、Al23およびYAG:Ceからなる焼成による多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、前記多結晶蛍光体が、厚さ50〜1000μmであり、前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の20〜50%の領域にAl23配向度が60%以上であるAl23配向化層を有し、前記Al 2 3 配向化層の真上にAl 2 3 配向度が30%以下であるAl 2 3 非配向化層を有し、前記Al 2 3 配向化層中のAl 2 3 の平均結晶粒径が1〜10μmであることを特徴とする。
上記の構成を有することで、本発明の波長変換用接合体は、高い透明性を有し、かつ、多結晶蛍光体層とサファイア基板との熱膨張の差が小さいため、該多結晶蛍光体層と該サファイア基板とを焼結により接合しても、割れ難く、強度を維持することができる。
このようなAl23非配向化層をAl23配向化層上に有することで、該非配向化層が光を適度に散乱させ、所望の光透過性を波長変換用接合体に付与することができる。
前記多結晶蛍光体中、Al23とYAG:Ceとの含有比率が体積比で90:10〜50:50であることが好ましい。
かかる構成を有することで、本発明の波長変換用接合体は透明性を有し、加えて、従来の波長変換部材に比べて、良好な強度を有することができる。
本発明の波長変換用接合体は、高い光透過性、すなわち、透明性を有し、かつ、製造時に焼結しても、応力による歪みが生じず、強度を維持することができる。このため、例えば、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)、特にレーザーダイオード(LD)の半導体発光デバイスの用途に好適に用いられる。
本発明の波長変換用接合体(以下単に「接合体」ともいう。)は、Al23およびYAG:Ceからなる多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、前記多結晶蛍光体が、厚さ50〜1000μmであり、前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の20〜50%の領域にAl23配向度が60%以上であるAl23配向化層を有する。
上記接合体の各構成要素について詳細に説明する。
上記多結晶蛍光体は、Al23およびYAG:Ceからなる。
YAG:Ceは、黄緑色の範囲の光を放出する蛍光体である。YAG:Ceは、Y3Al512のYの格子位置を希土類元素であるCeで置換した化合物であり、(Y,Ce)3Al512またはY3Al512:Ce3+とも表される。
蛍光体は、母体となる結晶と、それに固溶させる金属イオン(付活イオン)との組み合わせで発光色が決まる。付活イオンは、発光中心として機能するイオンである。本発明では、母体であるYAG結晶に、付活イオンCe3+をドープすることによって、YAG:Ceが青色光によって励起され、黄緑色光を発する。なお、化学組成が同じであっても結晶構造が異なる場合、母体結晶が異なることにより発光特性や安定性が異なるため、異なる蛍光体となる。
CeはYAGに対して、0.1〜3.0mol%添加する。Ceの添加量が前記範囲内であるとき、単一相のYAGが得られることが粉末X線回折パターンからわかっている。
Al23には、単結晶Al23および多結晶Al23のいずれも用いることができる。このようなAl23の平均粒径は、通常1〜10μmである。Al23は、多結晶蛍光体において光の散乱および熱の伝搬の働きをする。
上記多結晶蛍光体において、Al23およびYAG:Ceは、体積比で90:10〜50:50で含まれることが好ましく、78:22〜70:30で含まれることがより好ましい。YAG:Ceの含有比が20vol%未満であると、蛍光体として実用に耐える機能を発揮できないことがある。一方、YAG:Ceの含有比が50vol%を超えると、熱伝導率が低下し、放熱効果が低下することがある。
多結晶蛍光体は、ドクターブレード法を用いた反応焼結法により作製することができる。
このような多結晶蛍光体の厚さは50〜1000μm、好ましくは100〜300μmである。多結晶蛍光体の厚さが上記範囲内にあると、散乱特性が適性化し、配光特性、発光効率が良化するため好ましい。
本発明では、多結晶蛍光体を形成させるための成長基板として、サファイア基板が用いられる。成長基板を形成する材料としては、熱伝導率および透明性の高いものであれば、制限はないといえるが、サファイア、特に単結晶サファイアは、機械的および熱的特性、化学的安定性、並びに光透過性に優れることから、本発明において、多結晶蛍光体を成長させるための成長基板として好適に用いられる。
サファイア基板は、公知の方法により作製してもよいし、例えば、CZ法にて作製した市販品を用いてもよい。
このようなサファイア基板の厚みは、通常100〜1000μmである。
次に、本発明の接合体の製造方法として、上記多結晶蛍光体をサファイア基板の表面に形成する方法を説明する。
まず、サファイア基板および多結晶蛍光体をラップ研磨等の方法により研磨する。サファイア基板および多結晶蛍光のそれぞれの研磨面を重ね合わせ、減圧〜常圧下、1600〜1700℃で10〜30分間焼成することで、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させる。なお、この焼成では徐々に1600℃まで昇温することを要しない。
このようにして得られる本発明の接合体では、多結晶蛍光体とサファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の20〜50%の領域に、Al23配向度が60%以上であるAl23配向化層を有している。
つまり、本発明の製造方法では、まず、サファイア基板および多結晶蛍光体を別途作製し、それぞれ表面を研磨し、該サファイア基板の研磨面に該多結晶蛍光体の研磨面を重ねて、加圧せずに焼成することで、応力による歪みが生じることなく両者が一体化し、多結晶蛍光体とサファイア基板との接合界面付近のAl23層を配向させることができる。
上記接合体において、Al23配向化層中のAl23配向度が60%未満であると、発光強度が小さく、波長変換体としての実用に耐える機能を発揮できないことがある。
さらに、上記接合体では、前記Al23配向化層の直上、すなわち、上記接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向50%を超える領域に、Al23配向度が30%以下であるAl23非配向化層を有することが好ましい。
このような層をAl23配向化層の上に有することで、多結晶蛍光体中を光が過度に通り抜けるのを防止することができる。
上記接合体中、Al23配向層中のAl23の平均粒径は、1〜10μmであることが好ましい。Al23の平均粒径が1μm未満であると、多結晶蛍光体の結晶性が向上せず、発光効率が低下することがある。一方、Al23の平均粒径が10μmを超えると、発光ムラが生じたり、強度の低下に繋がることがある。
以上のとおり、本発明の接合体は、高い光透過性を有し、かつ、製造時に焼結しても、応力による歪みが生じることがないため、強度を維持することができる。このため、上記接合体は、発光ダイオード(LED)およびレーザーダイオード(LD)、特にレーザーダイオード(LD)の照明用途に好適である。
以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
参考例1]
平均粒径0.5μmで純度99.9%の酸化セリウム粉末、純度99.9%、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度99.9%、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を所定量配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、PVB系バインダーおよびグリセリン系可塑剤を原
料粉末に対して添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって10時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、表1に示す所定厚みのグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口100mmに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶蛍光体を得た。
サファイア基板および多結晶蛍光体を3μmのダイヤモンドスラリーを用い研磨加工後、研磨面を重ね合わせ、常圧下、1600℃で30分間焼成し、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させた。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のAl23とYAG:Ceとの含有比率が体積比で75:25の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが500μmであった。
また、前記サファイア基板との界面から200μmの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のAl23の配向度をEBSP装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度はいずれも65%であった。前記200μmの厚さ領域のAl23配向化層中のAl23の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ4.5μmであった。
[実施例2]
平均粒径0.5μmで純度99.9%の酸化セリウム粉末、純度99.9%、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度99.9%、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を所定量配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、PVB系バインダーおよびグリセリン系可塑剤を原料粉末に対して添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって10時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、表1に示す所定厚みのグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口100mmに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶蛍光体を得た。
サファイア基板および多結晶蛍光体を3μmのダイヤモンドスラリーを用い研磨加工後、研磨面を重ね合わせ、真空雰囲気下、1700℃で10分間焼成し、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させた。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のAl23とYAG:Ceとの含有比率が体積比で70:30の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが400μmであった。
また、前記サファイア基板との界面から200μmの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のAl23の配向度をEBSP装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度は、前者領域が70%であり、後者領域が25%であった。前記200μmの厚さ領域のAl23配向化層中のAl23の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ3.2μmであった。
[比較例1]
上記参考例1の製造方法のうち、接合について、接合条件を常圧下、1500℃で180分間焼成としたこと以外は同様に接合体を製造した。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のAl23とYAG:Ceとの含有比率が体積比で75:25の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが500μmであった。
また、前記サファイア基板との界面から200μmの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のAl23の配向度をEBSP装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度はいずれも55%であった。前記200μmの厚さ領域のAl23配向化層中のAl23の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ1.5μmであった。
[評価]
前記参考例1、実施例2および比較例1について、次の方法により光透過特性および機
械的強度特性の評価を行った。
〈光透過特性の評価法〉
サファイア基板、およびそれぞれの接合体の背面より赤色LD光を照射し、前方透過光の出力を測定し、接合体の透過率/サファイア基板の透過率を算出し、光の透過特性を評価した。
〈機械的強度特性の評価法〉
接合強度の評価はサファイア、多結晶蛍光体にプラグを設置し、引っ張り強度にて測定した。
[評価]
上記の通り、光透過特性および機械的強度において、参考例1および実施例2の波長変換用接合体は、比較例1のものに比べ、優れた特性が得られることが確認された。

Claims (2)

  1. Al23およびYAG:Ceからなる焼成による多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、
    前記多結晶蛍光体が、厚さ50〜1000μmであり、
    前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の20〜50%の領域にAl23配向度が60%以上であるAl23配向化層を有し、
    前記Al 2 3 配向化層の真上にAl 2 3 配向度が30%以下であるAl 2 3 非配向化層を有し、
    前記Al 2 3 配向化層中のAl 2 3 の平均結晶粒径が1〜10μmであることを特徴とする波長変換用接合体。
  2. 前記多結晶蛍光体中、Al23とYAG:Ceとの含有比率が体積比で90:10〜50:50であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換用接合体。
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