WO2019069699A1 - 発光素子、蛍光光源装置 - Google Patents

発光素子、蛍光光源装置 Download PDF

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WO2019069699A1
WO2019069699A1 PCT/JP2018/034800 JP2018034800W WO2019069699A1 WO 2019069699 A1 WO2019069699 A1 WO 2019069699A1 JP 2018034800 W JP2018034800 W JP 2018034800W WO 2019069699 A1 WO2019069699 A1 WO 2019069699A1
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light
fluorescent plate
fluorescence
light emitting
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PCT/JP2018/034800
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English (en)
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井上　正樹
蕪木　清幸
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ウシオ電機株式会社
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device including a phosphor.
  • the present invention also relates to a fluorescence light source device that includes the light emitting element and an excitation light source, and excites a phosphor by excitation light emitted from the excitation light source to emit fluorescence.
  • a fluorescent light source device which excites a fluorescent substance with laser light and emits fluorescence emitted from the fluorescent substance.
  • the temperature of the phosphor becomes high. It is known that when the phosphor reaches a high temperature of about 150 ° C., the luminous efficiency decreases. This phenomenon is called "temperature quenching".
  • Patent Document 1 discloses a light emitting element in which a sapphire substrate for exhausting heat is provided on the top surface of a phosphor.
  • FIG. 5 is a drawing schematically showing the light emitting device disclosed in Patent Document 1 above.
  • the light emitting element 100 shown in FIG. 5 includes a light emitting unit 101 including a phosphor, and a translucent substrate 102 formed in contact with the top surface of the light emitting unit 101.
  • a fine concavo-convex structure 103 having a diameter on the nanometer order is formed on the surface of the translucent substrate 102 opposite to the light emitting portion 101.
  • FIG. 6 is a drawing schematically showing the progression of a light beam when the light emitting element 100 is irradiated with excitation light.
  • the excitation light 111 passes through the inside of the translucent substrate 102 and is incident on the light emitting unit 101, the phosphor contained in the light emitting unit 101 is excited and the fluorescence 112 is emitted.
  • the fluorescence 112 passes through the inside of the light transmitting substrate 102 and is extracted from the uneven structure 103 to the outside.
  • part of the fluorescence 112 travels in the translucent substrate 102 in the d2 direction parallel to the plane of the substrate.
  • the fluorescence extracted from the translucent substrate 102 has a spread in the surface direction.
  • the etendue of the fluorescence emitted from the light emitting element 100 is increased.
  • the reason why part of the fluorescence 112 advances in the d2 direction in this way is that the reflection and diffusion at the grain boundaries of the phosphor particles contained in the light emitting portion 101, and the surface on the light extraction surface side of the translucent substrate 102 And reflection on the surface of the translucent substrate 102 opposite to the light extraction surface.
  • the translucent substrate 102 has the fine uneven structure 103 formed, it can not completely prevent total reflection, and a part of the fluorescence 112 is reflected by the surface of the translucent substrate 102. .
  • the optical system included in the projector can be configured to capture only a light flux having an etendue within a predetermined range. It is common. That is, in the configuration of Patent Document 1, only a part of the extracted light can be used, and the light utilization efficiency is low. This problem is not limited to projector applications, but may occur to general optical components that use fluorescence extracted from the light emitting element 100.
  • An object of the present invention is to provide a light emitting element and a fluorescent light source device capable of realizing high luminance by limiting a light emitting area in view of the above-mentioned problems.
  • the light emitting device is A first substrate, A reflective layer formed on the upper layer of the first substrate; A fluorescent plate containing a phosphor formed on the upper layer of the reflective layer; And a light transmitting second substrate formed in the upper layer of the fluorescent plate;
  • the second substrate is A plurality of first convex portions having a diameter on the order of micrometers and projecting in a direction opposite to the fluorescent plate from the side opposite to the side on which the fluorescent plate is formed;
  • a plurality of second convex portions having a diameter on the nanometer order smaller in diameter than the first convex portion from the first convex portion and projecting in the direction opposite to the fluorescent plate; It is characterized by having.
  • the second substrate has a diameter on the order of micrometers and protrudes in the direction opposite to the fluorescent plate from the side opposite to the side on which the fluorescent plate is formed A plurality of first convex portions are formed. For this reason, it is assumed that the fluorescence emitted from the fluorescence plate, more specifically, the fluorescence emitted from the phosphor contained in the fluorescence plate, travels in the direction parallel to the plane of the substrate as it travels through the second substrate. Also, after reaching the side surface of the first convex portion, it is taken out to the outside or the traveling direction is changed.
  • the distance traveled in the direction parallel to the surface of the substrate is limited when the fluorescence travels in the second substrate.
  • the area of fluorescence extracted from the second substrate is limited, and a high-intensity light source is realized.
  • the second substrate of the light emitting device has a diameter on the order of nanometers smaller than the diameter of the first convex portion from the first convex portion in the direction opposite to the fluorescent plate.
  • a plurality of second convex portions protruding toward the end are formed. Therefore, when the excitation light is irradiated toward the fluorescence plate, the ratio of scattering or reflection of the excitation light on the surface of the first convex portion decreases, and the excitation light can be guided to the fluorescence plate with high efficiency. .
  • the plurality of first convex portions having a diameter on the order of micrometers are provided for the purpose of restricting the spread in the surface direction when the fluorescence generated by the phosphor travels in the second substrate.
  • the excitation light irradiated from the outside toward the phosphor is incident on the second substrate (in particular, the side surface of the first convex portion) It is provided for the purpose of reducing the amount of light that is scattered and reflected backward.
  • the diameter of the first convex portion is preferably 2 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, more preferably 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, and still more preferably 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the first convex portion can have a conical shape such as a cone or a pyramid, or a frustum shape such as a truncated cone or a truncated pyramid.
  • the surface of the first convex portion of the fluorescence emitted from the phosphor in the fluorescent plate and reaching the surface of the first convex portion The incident angle at may be equal to or greater than the critical angle.
  • the fluorescence is first Incident light to the surface constituting the convex portion is largely suppressed. As a result, the fluorescence can be extracted to the outside without being largely diffused in the direction parallel to the surface of the second substrate.
  • the diameter of the second convex portion is preferably 200 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 200 nm or more and 600 nm or less, and still more preferably 200 nm or more and 500 nm or less. If the diameter of the second convex portion is too large, there arises a problem that the ratio of excitation light reflected and scattered backward by the second substrate increases, and if the diameter of the second convex portion is too small, the second The problem arises that the proportion of fluorescence taken out of the substrate is reduced.
  • the second convex portion can have a conical shape such as a cone or a pyramid, or a frustum shape such as a truncated cone or a truncated pyramid.
  • the plurality of first convex portions and the plurality of second convex portions can be periodically formed.
  • a plurality of second convex portions can adopt a so-called moth-eye structure.
  • the plurality of second convex portions provided on the first convex portion of the second substrate are periodically formed. Is preferred.
  • the second substrate can be made of a material having translucency to light with a wavelength of 400 nm or more and 800 nm or less. More specifically, the second substrate can be made of a material containing at least one of sapphire, GaN, MgO, or SiC.
  • the second substrate may have the same width as the fluorescent plate in the direction parallel to the surface of the first substrate.
  • the second substrate is provided with the plurality of first protrusions, and the spread of the fluorescence in the direction parallel to the surface of the second substrate is limited by the plurality of first protrusions. For this reason, even if the second substrate is realized with a width equivalent to that of the fluorescent plate, all or most of the fluorescence emitted from the fluorescent plate is on the side opposite to the side on which the fluorescent plate of the second substrate is formed. It can be extracted to the outside from the surface, that is, the light extraction surface.
  • the surface of the second substrate opposite to the side on which the fluorescent plate is formed is A first region in which a plurality of the first convex portions are formed; It is an outer side of the said 1st area
  • the first convex portion on the second substrate, the spread of fluorescence traveling in the plane direction in the second substrate is limited. For this reason, it can be set as the structure which does not perform formation of a 1st convex part in the area
  • the fluorescent light source device is The light emitting element; And an excitation light source for emitting excitation light;
  • the excitation light is irradiated on a surface of the second substrate opposite to the side on which the fluorescent plate is formed, and at least in a region on which the first convex portion is formed. I assume.
  • a fluorescence light source device with enhanced luminance can be realized without reducing the light emission efficiency.
  • the wavelength of the excitation light can be, for example, 400 nm or more and 480 nm or less.
  • a fluorescence light source is realized in which fluorescence of 470 nm or more and 700 nm or less is emitted.
  • the first convex portion may be formed outside the region irradiated with the excitation light.
  • the first convex portion is provided for the purpose of limiting the spread of the fluorescence traveling in the surface direction in the second substrate. For this reason, even if excitation light is not irradiated to the area
  • the present invention it is possible to realize a light emitting element and a fluorescence light source device capable of realizing high luminance by limiting a light emitting area.
  • FIG. 2B It is drawing which shows typically the structure of the fluorescence light source device of one Embodiment. It is a perspective view which shows the structure of a light emitting element typically. It is sectional drawing which shows the structure of a light emitting element typically. It is a partially enlarged view of FIG. 2B. It is a typical bird's-eye view of a part of light emitting element shown to FIG. 2B. It is sectional drawing which shows typically another structure of a light emitting element. It is a typical bird's-eye view of a part of light emitting element shown to FIG. 2E. It is a top view which shows the structure of a light emitting element typically. It is another top view which shows the structure of a light emitting element typically.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing the configuration of a fluorescence light source device of an embodiment.
  • the fluorescence light source device 1 shown in FIG. 1 includes an excitation light source 2, a dichroic mirror 3, and a light emitting element 10.
  • the excitation light source 2 is configured to include, for example, a semiconductor laser element that emits light in a blue region having a wavelength of 445 nm or more and 465 nm or less.
  • the excitation light source 2 may be provided with an optical system such as a collimator lens as needed.
  • the light emitting element 10 is configured to include a phosphor as described later.
  • the excitation light 21 emitted from the excitation light source 2 is irradiated to the light emitting element 10
  • the phosphor contained in the light emitting element 10 is excited, and the fluorescence 22 is emitted from the light emitting element 10.
  • the fluorescence 22 is light having a wavelength longer than that of the excitation light 21 and has, for example, a wavelength of 470 nm or more and 700 nm or less.
  • the dichroic mirror 3 is configured to transmit the excitation light 21 emitted from the excitation light source 2 and reflect the fluorescence 22 emitted from the light emitting element 10.
  • the dichroic mirror 3 is arranged such that the mirror surface is inclined at an angle of 45 ° with respect to the incident angle of the excitation light 21, for example. With this configuration, the fluorescence 22 is extracted to the outside of the fluorescence light source device 1 and is incident on, for example, a downstream optical system (not shown).
  • FIG. 2A is a perspective view schematically showing the configuration of the light emitting element 10.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the light emitting element 10.
  • the light emitting element 10 includes a first substrate 11, a second substrate 12, a reflective layer 13, a fluorescent plate 14, and a bonding layer 15.
  • the first substrate 11 is provided to exhaust heat generated by the fluorescent plate 14.
  • the first substrate 11 is made of, for example, a material having a thermal conductivity of 90 W / (m ⁇ K) or more, specifically, for example, 230 to 400 W / (m ⁇ K). Examples of such materials include Cu, copper compounds (MoCu, CuW, etc.), Al and the like.
  • the thickness of the first substrate 11 is, for example, 0.5 to 5 mm. Moreover, it is preferable that the area in the surface of the 1st board
  • the bonding layer 15 is a layer for bonding the first substrate 11 and the fluorescent plate 14 and is made of, for example, a solder material. From the viewpoint of heat removal and the like, it is preferable to use, for example, a material having a thermal conductivity of 40 W / (m ⁇ K) or more as a material forming the bonding layer 15. More specifically, for example, cream solder (in paste form) obtained by mixing flux and other impurities with materials such as Sn and Pb, Sn-Ag-Cu solder, Au-Sn solder, etc. It can be used.
  • the thickness of the bonding layer 15 is, for example, 20 to 200 ⁇ m.
  • Ni / Au film for example, formed by plating between the first substrate 11 and the bonding layer 15 is used. It does not matter if the metal film is formed.
  • the reflective layer 13 is formed on the surface of the fluorescent plate 14 opposite to the second substrate 12.
  • the reflection layer 13 reflects the fluorescence generated on the fluorescence plate 14 and proceeds to the surface (the first substrate 11 side) opposite to the light extraction surface 12 a of the second substrate 12 to extract light. It is provided to lead to the surface 12 a side.
  • the reflective layer 13 can be made of, for example, a metal film of Al, Ag or the like, a reflection enhancing film in which a dielectric multilayer film is formed on the metal film, or the like.
  • a metal film made of Ni / Pt / Au film or Ni / Au film formed by vapor deposition may be formed on the surface opposite to 14.
  • the fluorescent plate 14 is formed on the upper layer of the reflective layer 13.
  • the fluorescence plate 14 emits fluorescence 22 when the excitation light 21 emitted from the excitation light source 2 is incident.
  • the fluorescent plate 14 has a rectangular plate-like structure as an example.
  • the thickness of the fluorescent plate 14 is, for example, 0.05 to 1 mm.
  • the fluorescent plate 14 contains a phosphor, and specifically, a sintered body of a single crystal or polycrystalline phosphor, or a sintered body of a mixture of a single crystal or polycrystalline phosphor and a ceramic binder. It consists of. That is, the fluorescent plate 14 is made of a single crystal or polycrystalline phosphor.
  • alumina particles are used as a ceramic binder. And this sintered body can use what is obtained by baking after mixing the ceramic binder of several mass%-several dozen mass% with respect to 100 mass% of fluorescent substance, and pressing the mixture. .
  • the fluorescence plate 14 When the fluorescence plate 14 is made of a single crystal phosphor, it can be obtained, for example, by the Czochralski method. Specifically, the seed crystal is brought into contact with the melted raw material in a crucible, and in this state, the seed crystal is pulled up vertically while rotating the seed crystal to grow a single crystal on the seed crystal, thereby causing fluorescence of a single crystal. Get the body.
  • the fluorescent plate 14 is made of polycrystalline fluorescent material, it can be obtained, for example, as follows. First, raw material fine particles are obtained by pulverizing raw materials such as a base material, an activator, and a sintering aid with a ball mill or the like. Next, using the raw material fine particles, a formed body is formed and sintered, for example, by a slip casting method. Thereafter, the obtained sintered body is subjected to hot isostatic pressing to obtain a polycrystalline phosphor having a porosity of, for example, 0.5% or less.
  • the fluorescent plate 14 can be made of a YAG fluorescent material doped (activated) with a rare earth compound.
  • the doping amount of the rare earth element (activation material) can be about 0.5 mol%.
  • a rare earth compound Ce, Pr, or Sm etc. can be mentioned, for example. That is, specific examples of the phosphor include YAG: Ce, YAG: Pr, YAG: Sm, LuAG: Ce, and the like.
  • the fluorescent plate 14 may be configured to include a metal compound in the fluorescent substance.
  • the fluorescent plate 14 is made of a single crystal or polycrystalline phosphor, and thus has high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the fluorescent plate 14 is preferably, for example, about 6 to 35 W / (m ⁇ K). With such a configuration, the heat generated in the fluorescent plate 14 is efficiently exhausted to the first substrate 11 side and the second substrate 12 side described later, and the high temperature of the fluorescent plate 14 is suppressed. Ru.
  • the first substrate 11 and the fluorescent plate 14 can be bonded, for example, as follows.
  • the fluorescent plate 14 on which the reflective layer 13 is formed is disposed on the surface of the first substrate 11 via the bonding layer 15. Thereafter, for example, the solder material is heated and melted at a temperature equal to or higher than the melting point of the solder material under a reduced pressure of, for example, an air atmosphere or a nitrogen gas atmosphere. Thereafter, the solder material is cooled and solidified. Thereby, the first substrate 11 and the fluorescent plate 14 are bonded.
  • the second substrate 12 is formed on the upper layer of the fluorescent plate 14.
  • the second substrate 12 is made of a material that transmits the excitation light 21 emitted from the excitation light source 2 and the fluorescence 22 generated by the fluorescence plate 14 (the phosphor contained in the fluorescence plate 14).
  • the second substrate 12 is made of a material having translucency to light with a wavelength of 400 nm or more and 800 nm or less.
  • the second substrate 12 is provided for the purpose of exhausting the heat generated by the fluorescent plate 14 in the same manner as the first substrate 11. For this reason, it is preferable that the second substrate 12 be made of a material having high thermal conductivity. More specifically, the second substrate 12 is preferably made of a material that exhibits a thermal conductivity of 30 W / (m ⁇ K) or more.
  • the second substrate 12 can be made of sapphire (Al 2 O 3 ), MgO, GaN, SiC, MgAl 2 O 4 or the like.
  • the thickness of the second substrate 12 can be 30 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • FIG. 2C is an enlarged view of the vicinity of the surface 12 a side of the second substrate 12 in FIG. 2B.
  • the second substrate 12 has a plurality of first convex portions 31 projecting in the direction opposite to the fluorescent plate 14, and A second convex portion 32 having a diameter smaller than that of the first convex portion 31 protrudes from the convex portion 31 in a direction opposite to the fluorescent plate 14.
  • the diameter w1 of the first convex portion 31 is on the order of micrometers, preferably 2 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably 2 ⁇ m to 50 ⁇ m, and still more preferably 2 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the second convex portion 32 has a diameter w2 of nanometer order, preferably 200 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 200 nm or more and 600 nm or less, and still more preferably 200 nm or more and 500 nm or less.
  • the 2nd convex part 32 is illustrated very largely on the basis of the 1st convex part 31.
  • FIG. 2B and FIG. 2C in order to make it understand visually, the 2nd convex part 32 is illustrated very largely on the basis of the 1st convex part 31.
  • FIG. 2D is a bird's-eye view schematically showing a portion of the second substrate 12 where the first convex portion 31 is formed on the light extraction surface 12 a side.
  • illustration of the 2nd convex part 32 is abbreviate
  • a plurality of first convex portions 31 are formed substantially periodically on the light extraction surface 12a side.
  • FIG. 2E illustrates the structure of the light emitting element 10 in the case where the first convex portion 31 has a frustum shape, following FIG. 2B
  • FIG. 2F illustrates that the first convex portion 31 has a frustum shape
  • the portion of the second substrate 12 on which the first convex portion 31 is formed is schematically shown in a bird's-eye view, which is illustrated in FIG. 2D.
  • illustration of the 2nd convex part 32 is abbreviate
  • 3A to 3D are all schematic plan views when the light emitting element 10 is viewed from the side of the light extraction surface 12a.
  • the plurality of first convex portions 31 may be disposed substantially all over the light extraction surface 12a (see FIG. 3A), or may be disposed only in a region near the center of the light extraction surface 12a (see FIG. 3B). ).
  • the second substrate 12 has a first region 41 in which the plurality of first convex portions 31 are formed when viewed from the light extraction surface 12a side, and this first region It is an outer side of 41 and has the 2nd field 42 in which the 1st convex part 31 is not formed.
  • the first convex portion 31 has a function of suppressing the fluorescence 22 from spreading and advancing in a direction parallel to the surface of the second substrate 12. Therefore, the first convex portion 31 may not be provided in the region where the fluorescence 22 does not advance.
  • the first convex portion 31 may not be disposed only in the region 43 corresponding to the vicinity of the center of the light extraction surface 12a in the embodiment of FIG. 3B.
  • the excitation light 21 may be irradiated into the region 43.
  • the arrangement shape of the plurality of first convex portions 31 is arbitrary, and for example, as shown in FIG. 3D, the plurality of first convex portions 31 may be arranged in a zigzag shape. In the arrangement modes of FIGS. 3B and 3C, they may be arranged in a staggered pattern.
  • the first convex portions 31 may be provided at at least two or more places.
  • the plurality of first convex portions 31 may be disposed in the closest packing manner.
  • “closest-packed” refers to a state in which the bottom surfaces of the adjacent first convex portions 31 are adjacent to each other without a gap.
  • the second substrate 12 and the fluorescent plate 14 can be bonded, for example, as follows.
  • the surfaces of the second substrate 12 and the fluorescent plate 14 are polished by CMP. Then, both are cleaned by pure water, and the activation process is performed on both surfaces by plasma treatment. Thereafter, the second substrate 12 and the fluorescent plate 14 are bonded to each other, and heat treatment at 250 ° C. to 1000 ° C. is performed. At this time, pressure treatment may be performed. By performing such treatment, a good bonding surface can be obtained between the two.
  • the particle film is Etch as a mask.
  • the first convex portion 31 having a diameter corresponding to the diameter of the first particle is formed on the second substrate 12.
  • etching is performed using the particle film as a mask.
  • the second convex portion 32 having a diameter corresponding to the diameter of the second particle is formed on the first convex portion 31.
  • an etching gas such that the etching rate for the constituent material of the second substrate 12 and the etching rate for the constituent material of the first particle and the second particle are significantly different.
  • the second substrate 12 is made of sapphire and the first particles and the second particles are made of silica, CF 4 , SF 6 , CHF 3 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , CH 2 as etching gases.
  • One or more gases selected from the group consisting of 2 F 2 and NF 3 can be used.
  • FIG. 4 is a drawing schematically showing the progression of the light beam of the excitation light 21 and the fluorescent light 22 when the excitation light 21 is irradiated to the light emitting element 10.
  • the excitation light 21 When the excitation light 21 is incident on the second substrate 12, the excitation light 21 passes through the inside of the second substrate 12 and travels, and is incident on the fluorescent plate 14. As described above, on the side of the surface 12 a of the second substrate 12, a plurality of first convex portions 31 having a diameter on the order of micrometers are formed, and on the plurality of first convex portions 31, nano A plurality of second protrusions 32 having a diameter on the order of meters are formed. Therefore, of the incident excitation light 21, the amount of light reflected by the surface 12 a of the second substrate 12 is small, and most of the light travels into the second substrate 12.
  • the phosphor particles 16 When the excitation light 21 is incident on the phosphor particles 16 in the fluorescence plate 14, the phosphor particles 16 are excited to generate fluorescence 22. A part of the light of the fluorescence 22 is reflected by the grain boundary of the adjacent phosphor particles 16 or reflected by the reflection layer 13, and travels while spreading in the d1 direction parallel to the surface of the fluorescence plate 14. This light is incident on the side surface 31a of the first convex portion 31 provided on the surface 12a side of the second substrate 12, and is extracted from the surface to the outside or reflected by the surface, and the adjacent first convex portion It is taken out from 31 side 31a.
  • the fluorescence 22 is extracted from the region within the limited range on the light extraction surface 12 a side of the second substrate 12.
  • the second convex portion 32 having a diameter on the nanometer order is provided on the first convex portion 31 in the second substrate 12, the fluorescence incident on the second substrate 12 from the fluorescence plate 14 side 22 can be suppressed from being scattered or reflected to the fluorescent plate 14 side. As a result, the number of reflections of the fluorescence 22 in the second substrate 12 is reduced, and the progress of the fluorescence 22 in the d1 direction until it is taken out to the outside is suppressed.
  • the first convex portion 31 and the second convex portion 32 provided on the second substrate 12 may not necessarily be regularly arranged.
  • the optical arrangement method of the fluorescence light source device 1 including the dichroic mirror 3 as shown in FIG. 1 is merely an example, and any arrangement manner may be used.
  • Fluorescence light source device 2 Excitation light source 3: Dichroic mirror 10: Light emitting element 11: First substrate 12: Second substrate 12 a: Light extraction surface 13: Reflective layer 14: Fluorescent plate 15: Bonding layer 16: Phosphor particles 21
  • Excitation light 22 fluorescence 31: first convex portion 31a: side surface of concave hole portion 32: second convex portion 41: first region 42: second region 100: conventional light emitting element 101: light emitting portion 102: light transmitting property

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Abstract

発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる発光素子及び蛍光光源装置を提供する。　発光素子は、第一基板と、第一基板の上層に形成された反射層と、反射層の上層に形成された、蛍光体を含む蛍光プレートと、蛍光プレートの上層に形成された、透光性の第二基板とを有する。第二基板は、蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面から、マイクロメートルオーダーの径を有して蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する複数の第一凸部と、第一凸部から当該第一凸部よりも径の小さいナノメートルオーダーの径を有して、蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する複数の第二凸部と、を有する。

Description

発光素子、蛍光光源装置
　本発明は、蛍光体を含む発光素子に関する。また、本発明は、前記発光素子及び励起光源を含み、励起光源から射出された励起光によって蛍光体を励起して蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。
　現在、蛍光体をレーザ光で励起し、当該蛍光体から発せられる蛍光を放射する蛍光光源装置が知られている。
　ところで、高いパワー、且つ高いパワー密度の励起光を蛍光体の表面に照射すると、蛍光体の温度が高温になる。蛍光体は、１５０℃程度の高温になると、発光効率が低下することが知られている。この現象は「温度消光」と呼ばれる。
　かかる観点の下、下記特許文献１には、蛍光体の上面に排熱のためのサファイア基板を設けた発光素子が開示されている。
特開２０１２－１０９４００号公報
　図５は、上記特許文献１に開示された発光素子を模式的に示す図面である。図５に示す発光素子１００は、蛍光体を含む発光部１０１と、発光部１０１の上面に接触して形成された透光性基板１０２とを有する。透光性基板１０２の、発光部１０１とは反対側の面には、ナノメートルオーダーの径を有する微細な凹凸構造１０３が形成されている。
　図６は、発光素子１００に対して励起光が照射された場合の光線の進行を模式的に示す図面である。励起光１１１が、透光性基板１０２内を透過して発光部１０１に入射されると、発光部１０１に含まれる蛍光体が励起され、蛍光１１２が放射される。この蛍光１１２は、透光性基板１０２内を透過して、凹凸構造１０３から外部に取り出される。
　しかし、図６に示すように、蛍光１１２の一部は、透光性基板１０２内を基板の面に平行なｄ２方向に進行する。この結果、透光性基板１０２から取り出される蛍光は、面方向に拡がりを有する。この結果、発光素子１００から射出される蛍光のエタンデュが大きくなってしまう。このようにｄ２方向に蛍光１１２の一部が進行する理由としては、発光部１０１内に含まれる蛍光体粒子の粒界での反射及び拡散、透光性基板１０２の光取り出し面側の面での反射、並びに透光性基板１０２の光取り出し面とは反対側の面における反射などが考えられる。なお、透光性基板１０２は微細な凹凸構造１０３が形成されているものの、完全には全反射を防止することができず、一部の蛍光１１２は透光性基板１０２の面で反射される。
　例えば、発光素子１００から取り出される蛍光をプロジェクタ用の光源に利用することを想定した場合、プロジェクタに含まれる光学系は、所定の範囲内のエタンデュを有する光束しか取り込めないように構成されることが一般的である。つまり、特許文献１の構成では、取り出された光の一部の光しか利用できないこととなってしまい、光の利用効率が低い。この問題は、プロジェクタ用途に限られず、当該発光素子１００から取り出される蛍光を利用する一般的な光学部品に対して生じ得る。
　本発明は、上記の課題に鑑み、発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる発光素子及び蛍光光源装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る発光素子は、
　第一基板と、
　前記第一基板の上層に形成された反射層と、
　前記反射層の上層に形成された、蛍光体を含む蛍光プレートと、
　前記蛍光プレートの上層に形成された、透光性の第二基板とを有し、
　前記第二基板は、
　　前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面から、マイクロメートルオーダーの径を有して前記蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する、複数の第一凸部と、
　　前記第一凸部から、前記第一凸部よりも径の小さいナノメートルオーダーの径を有して、前記蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する複数の第二凸部と、を有することを特徴とする。
　上記の構成によれば、第二基板には、蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面から、マイクロメートルオーダーの径を有して蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する、複数の第一凸部が形成されている。このため、蛍光プレートから放射された蛍光、より詳細には蛍光プレートに含まれる蛍光体から放射された蛍光が、第二基板内を進行するにあたり、当該基板の面に平行な方向に進行したとしても、第一凸部の側面に達した後に外部に取り出されるか、又は進行方向が変更される。すなわち、この第一凸部が存在することによって、蛍光が第二基板内を進行する際に、基板の面に平行な方向に進行する距離が制限される。この結果、第二基板から取り出される蛍光の領域が制限され、高輝度の光源が実現される。
　また、本発明に係る発光素子が備える第二基板には、第一凸部から、第一凸部よりも径の小さいナノメートルオーダーの径を有して、蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する複数の第二凸部が形成されている。このため、蛍光プレートに向かって励起光が照射された際に、当該励起光が第一凸部の面で散乱又は反射する割合が低下し、高効率で蛍光プレートに励起光を導くことができる。
　つまり、マイクロメートルオーダーの径を有する複数の第一凸部は、蛍光体で生成された蛍光が、第二基板内を進行する際の、面方向への拡がりを制限する目的で設けられている。これに対し、ナノメートルオーダーの径を有する複数の第二凸部は、蛍光体に向けて外部から照射された励起光が、第二基板（特に、第一凸部の側面）に入射された際に、後方へ散乱・反射してしまう光量を低下させる目的で設けられている。
　従って、上記の構成によれば、発光効率を低下させることなく、輝度を高めた発光素子が実現される。
　第一凸部の径は、２μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以上５０μｍ以下であるのがより好ましく、２μｍ以上１０μｍ以下であるのが更により好ましい。第一凸部の径を上記範囲内に設定することで、第二基板から取り出される蛍光の広がりを抑制する効果が十分に発揮される。なお、第一凸部は、円錐、角錐などの錐体形状や、円錐台、角錐台などの錐台体形状とすることができる。
　なお、特に第一凸部を錐台体形状で構成した場合、場所によっては、蛍光プレート内の蛍光体から放射され、第一凸部の面に達した蛍光の、当該第一凸部の面における入射角が臨界角以上となる場合があり得る。しかしながら、上記の構成のように、第一凸部から蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出するナノメートルオーダーの第二凸部が設けられているため、臨界角以上で蛍光が第一凸部を構成する面に入射されることが大幅に抑制される。この結果、第二基板の面に平行な方向に対して大きく拡散することなく、蛍光を外部に取り出すことができる。
　第二凸部の径は、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましく、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であるのがより好ましく、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが更により好ましい。第二凸部の径が大きすぎると、第二基板で後方に反射・散乱してしまう励起光の割合が増加するという問題が生じ、他方、第二凸部の径が小さすぎると、第二基板から外部に取り出される蛍光の割合が低下するという問題が生じる。なお、第二凸部は、円錐、角錐などの錐体形状や、円錐台、角錐台などの錐台体形状とすることができる。
　複数の第一凸部及び複数の第二凸部は、それぞれ周期的に形成されるものとすることができる。複数の第二凸部は、いわゆるモスアイ構造を採用できる。なお、入射された励起光を高効率で蛍光プレート（に含まれる蛍光体）に導くためには、第二基板の第一凸部上に設けられる複数の第二凸部は、周期的に形成されるのが好ましい。
　第二基板は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されるものとすることができる。より詳細には、前記第二基板は、サファイア、ＧａＮ、ＭｇＯ、又はＳｉＣのいずれかを少なくとも含む材料で構成されることができる。
　前記第二基板は、前記第一基板の面に平行な方向に関し、前記蛍光プレートと同等の幅を有するものとしても構わない。
　上述したように、第二基板には複数の第一凸部が設けられており、第二基板の面に平行な方向に係る蛍光の拡がりは、この複数の第一凸部によって制限される。このため、第二基板を蛍光プレートと同等の幅で実現しても、蛍光プレートから発せられた蛍光の全て又は大部分を、第二基板の蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面、すなわち光取り出し面から外部に取り出すことができる。
　前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面は、
　　複数の前記第一凸部が形成された第一領域と、
　　前記第一領域の外側であって、前記第一凸部が形成されていない第二領域とを有するものとすることができる。
　上述したように、第二基板に第一凸部が設けられることで、第二基板内を面方向に進行する蛍光の拡がりが制限される。このため、蛍光が進行しない領域には第一凸部の形成を行わない構成とすることができる。かかる構成とすることで、第一凸部を形成する数を少なくすることができるため、製造工程の簡素化が図られる。
　本発明に係る蛍光光源装置は、
　前記発光素子と、
　励起光を射出する励起光源とを有し、
　前記励起光は、前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面であって、少なくとも前記第一凸部が形成されている領域内に照射されることを特徴とする。
　上記構成によれば、発光効率を低下させることなく、輝度を高めた蛍光光源装置が実現される。
　励起光の波長は、例えば４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下とすることができる。この場合、４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光が放射される蛍光光源が実現される。
　前記第一凸部は、前記励起光が照射される領域よりも外側に形成されているものとしても構わない。
　上述したように、第一凸部は、第二基板内を面方向に進行する蛍光の拡がりを制限する目的で設けられている。このため、第一凸部が設けられている第二基板の領域に励起光が照射されなくても、上記の効果にほとんど影響がない。かかる構成とすれば、第一凸部を形成する数を少なくすることができるため、製造工程の簡素化が図られる。
　本発明によれば、発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる発光素子及び蛍光光源装置が実現される。
一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。 発光素子の構成を模式的に示す斜視図である。 発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｂの一部拡大図である。 図２Ｂに示す発光素子の一部分の模式的な俯瞰図である。 発光素子の別の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｅに示す発光素子の一部分の模式的な俯瞰図である。 発光素子の構成を模式的に示す平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子に対して励起光が照射されたときの、励起光及び蛍光の光線の進行を模式的に示した図面である。 従来の発光素子を模式的に示す図面である。 従来の発光素子に対して励起光が照射された場合の光線の進行を模式的に示す図面である。
　本発明の発光素子及び蛍光光源装置の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
　［構成］
　図１は、一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。図１に示す蛍光光源装置１は、励起光源２と、ダイクロイックミラー３と、発光素子１０とを備える。
　励起光源２は、例えば波長が４４５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の青色領域の光を出射する半導体レーザ素子を含む構成である。励起光源２は、必要に応じてコリメータレンズなどの光学系を備えていても構わない。
　発光素子１０は、後述するように蛍光体を含む構成である。励起光源２から射出された励起光２１が発光素子１０に照射されると、発光素子１０に含まれる蛍光体が励起され、発光素子１０から蛍光２２が放射される。蛍光２２は、励起光２１よりも長波長の光であり、例えば、４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を有する。
　図１に示される蛍光光源装置１において、ダイクロイックミラー３は、励起光源２から射出される励起光２１を透過し、発光素子１０から射出される蛍光２２を反射するように構成されている。ダイクロイックミラー３は、ミラー面が例えば励起光２１の入射角度に対して４５°の角度で傾斜するように配置されている。かかる構成とすることで、蛍光２２が蛍光光源装置１の外部に取り出され、例えば、図示しない後段の光学系に入射される。
　図２Ａは、発光素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。図２Ｂは、発光素子１０の構成を模式的に示す断面図である。
　発光素子１０は、第一基板１１と、第二基板１２と、反射層１３と、蛍光プレート１４と、接合層１５とを有する。
　　（第一基板１１）
　第一基板１１は、蛍光プレート１４で発せられた熱を排熱するために設けられている。第一基板１１は、例えば熱伝導率が９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、具体的には例えば２３０～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である材料で構成される。このような材料の例としては、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ、ＣｕＷなど）、Ａｌなどが挙げられる。
　第一基板１１の厚みは、例えば０．５～５ｍｍである。また、排熱性などの観点から、第一基板１１の表面における面積は、蛍光プレート１４の面積よりも大きいことが好ましい。
　　（接合層１５）
　接合層１５は、第一基板１１と蛍光プレート１４とを接合する層であり、例えばハンダ材料からなる。排熱性などの観点から、接合層１５を構成する材料としては、例えば熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるものが用いられることが好ましい。より詳細には、例えば、Ｓｎ、Ｐｂなどの材料にフラックスやその他の不純物を混ぜてクリーム状（ペースト状）の形態としたクリームハンダ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ハンダ、Ａｕ－Ｓｎ系ハンダなどを用いることができる。接合層１５の厚みは、例えば２０～２００μｍである。
　なお、図示していないが、第一基板１１と接合層１５との接合性の観点から、第一基板１１と接合層１５との間に、例えばメッキ法によって形成された、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ａｕ＝５０００～１０００ｎｍ／１０００～３０ｎｍとすることができる。
　　（反射層１３）
　反射層１３は、蛍光プレート１４の、第二基板１２とは反対側の面に形成されている。この反射層１３は、蛍光プレート１４で生成された蛍光のうち、第二基板１２の光取り出し面１２ａとは反対側の面（第一基板１１側）に進行した蛍光を反射させて、光取り出し面１２ａ側に導くために設けられている。反射層１３は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜や、前記金属膜上に誘電体多層膜を形成した増反射膜などで構成されることができる。
　なお、図示していないが、蛍光プレート１４と接合層１５との接合性の観点から、蛍光プレート１４の第二基板１２とは反対側の面、より具体的には、反射層１３の蛍光プレート１４とは反対側の面上に、例えば蒸着によって形成されたＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ＝３０ｎｍ／５００ｎｍ／５００ｎｍとすることができる。
　　（蛍光プレート１４）
　蛍光プレート１４は、反射層１３の上層に形成されている。蛍光プレート１４は、励起光源２から射出される励起光２１が入射されると、蛍光２２を放射する。蛍光プレート１４は、一例として矩形平板状の構造を示す。蛍光プレート１４の厚みは、例えば０．０５～１ｍｍである。
　蛍光プレート１４は、蛍光体が含有されてなり、具体的には、単結晶又は多結晶の蛍光体よりなるもの、又は、単結晶若しくは多結晶の蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体よりなる。すなわち、蛍光プレート１４は、単結晶又は多結晶の蛍光体によって構成される。
　蛍光プレート１４において用いられる蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体は、例えば、セラミックバインダーとしてアルミナ粒子が用いられる。そして、この焼結体は、蛍光体１００質量％に対して数質量％～数十質量％のセラミックバインダーを混合し、その混合物をプレスした後、焼成することによって得られるものを用いることができる。
　蛍光プレート１４を単結晶の蛍光体で構成する場合には、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、るつぼ内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させることにより、単結晶の蛍光体が得られる。
　また、蛍光プレート１４を多結晶の蛍光体で構成する場合には、例えば以下のようにして得ることができる。まず、母材、賦活材及び焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、原材料微粒子を得る。次いで、この原材料微粒子を用い、例えばスリップキャスト法によって成形体を形成して焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。
　蛍光プレート１４を構成する蛍光体は、具体的には、希土類化合物がドープ（賦活）されたＹＡＧ蛍光体よりなるものを用いることができる。このような蛍光体において、希土類元素（賦活材）のドープ量は、０．５モル％程度とすることができる。希土類化合物としては、例えばＣｅ、Ｐｒ、又はＳｍなどを挙げることができる。すなわち、蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。なお、蛍光プレート１４を、蛍光体に金属化合物を含めて構成しても構わない。
　蛍光プレート１４が単結晶又は多結晶の蛍光体によって構成されることで、高い熱伝導性を有する。蛍光プレート１４の熱伝導率としては、例えば熱伝導率が６～３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度とするのが好ましい。このように構成されることで、蛍光プレート１４で発生した熱が、第一基板１１側、及び後述する第二基板１２側に効率よく排熱され、蛍光プレート１４が高温となることが抑制される。
　第一基板１１と蛍光プレート１４とは、例えば以下のようにして接合することができる。第一基板１１の面上に接合層１５を介して、反射層１３が形成された蛍光プレート１４を配置する。その後、例えば大気雰囲気又は窒素ガス雰囲気とされた減圧下において、ハンダ材料の融点以上の温度に加熱して溶融する。その後、ハンダ材料を冷却して固化する。これにより、第一基板１１と蛍光プレート１４とが接合される。
　　（第二基板１２）
　第二基板１２は、蛍光プレート１４の上層に形成されている。第二基板１２は、励起光源２から射出される励起光２１、及び蛍光プレート１４（蛍光プレート１４に含まれる蛍光体）で生成される蛍光２２を透過する材料で構成されている。具体的には、第二基板１２は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されている。
　また、第二基板１２は、第一基板１１と同様に、蛍光プレート１４で生成された熱を排熱する目的で設けられている。このため、第二基板１２は、熱伝導性の高い材料で構成されるのが好ましい。より具体的には、第二基板１２は、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を示す材料で構成されるのが好ましい。
　以上の観点から、第二基板１２は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＭｇＯ、ＧａＮ、ＳｉＣ、又は、ＭｇＡｌ2Ｏ4などで構成されることができる。第二基板１２の厚みは、３０μｍ以上、１０００μｍ以下とすることができる。
　上述したように、第二基板１２は、蛍光プレート１４とは反対側の面１２ａが光取り出し面を構成する。図２Ｃは、図２Ｂにおいて、第二基板１２の面１２ａ側近傍を拡大した図面である。
　図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、第二基板１２は、この光取り出し面１２ａ側において、蛍光プレート１４とは反対側の方向に向かって突出する、複数の第一凸部３１と、第一凸部３１から蛍光プレート１４とは反対側の方向に向かって突出する、第一凸部３１よりも径の小さい第二凸部３２とを有する。第一凸部３１は、径ｗ１がマイクロメートルオーダーであり、２μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以上５０μｍ以下であるのがより好ましく、２μｍ以上１０μｍ以下であるのが更により好ましい。第二凸部３２は、径ｗ２がナノメートルオーダーであり、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましく、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であるのがより好ましく、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのが更により好ましい。なお、図２Ｂ及び図２Ｃでは、視覚的に理解させるために、第二凸部３２は、第一凸部３１を基準として極めて大きく図示されている。
　図２Ｄは、第二基板１２のうち、光取り出し面１２ａ側において、第一凸部３１が形成されている箇所を模式的に示す俯瞰図である。なお、図２Ｄでは、第二凸部３２の図示は省略されている。図２Ｄに示されるように、第二基板１２は、光取り出し面１２ａ側において、複数の第一凸部３１がほぼ周期的に形成されている。
　図２Ｂ～図２Ｄでは、第一凸部３１が錐体形状を有する場合が図示されているが、図２Ｅ～図２Ｆに示すように、第一凸部３１が錐台体形状を有するものとしても構わない。図２Ｅは、第一凸部３１が錐台体形状を有する場合における発光素子１０の構造を、図２Ｂにならって図示したものであり、図２Ｆは、第一凸部３１が錐台体形状を有する場合において、第一凸部３１が形成されている第二基板１２の箇所を模式的に示す俯瞰図であり、図２Ｄにならって図示したものである。図２Ｆでは、第二凸部３２の図示は省略されている。
　第二基板１２の光取り出し面１２ａ側に複数の第一凸部３１を設けるときの態様は、種々の方法を採用することができる。図３Ａ～図３Ｄは、いずれも発光素子１０を光取り出し面１２ａ側から見たときの模式的な平面図である。複数の第一凸部３１は、光取り出し面１２ａのほぼ全体にわたって配置されても構わないし（図３Ａ参照）、光取り出し面１２ａの中央付近の領域にのみ配置されても構わない（図３Ｂ参照）。
　すなわち、図３Ｂに示す発光素子１０においては、第二基板１２は、光取り出し面１２ａ側から見たときに、複数の第一凸部３１が形成された第一領域４１と、この第一領域４１の外側であって、第一凸部３１が形成されていない第二領域４２とを有することになる。後述するように、第一凸部３１は、蛍光２２を第二基板１２の面に平行な方向に拡がって進行するのを抑制する機能を有する。このため、蛍光２２が進行しない領域内については第一凸部３１を設けなくても構わない。
　更に、図３Ｃに模式的に示すように、図３Ｂの態様において光取り出し面１２ａの中心の近傍に対応する領域４３にのみ第一凸部３１を配置しない態様としても構わない。この場合、領域４３内に励起光２１が照射されるものとしても構わない。
　また、複数の第一凸部３１の配置形状は任意であり、例えば図３Ｄに示すように、複数の第一凸部３１を千鳥格子状に配置しても構わない。図３Ｂ及び図３Ｃの配置態様において、千鳥格子状に配置しても構わない。第一凸部３１は、少なくとも２箇所以上に設けられていればよい。複数の第一凸部３１が千鳥格子状に配置されることで、蛍光プレート１４から射出される蛍光の広がりが抑制される。
　また、複数の第一凸部３１は、最密充填的に配置されるものとしても構わない。ここで「最密充填的」とは、隣接する第一凸部３１の底面同士がほぼ隙間なく隣接している状態を指す。
　第二基板１２と蛍光プレート１４とは、例えば以下のようにして接合することができる。
　第二基板１２と蛍光プレート１４の表面はＣＭＰにより研磨される。そして、両者が純水によって洗浄され、プラズマ処理によって両者の表面に対して活性化処理が施される。その後、第二基板１２と蛍光プレート１４とを貼り合わせ、２５０℃～１０００℃の熱処理が施される。このとき、加圧処理を施しても構わない。かかる処理を行うことで、両者間に良好な接合面が得られる。
　第二基板１２上に第一凸部３１及び第二凸部３２を設ける際には、例えば、大きさの異なる粒子を用いてエッチングすることで実現される。より具体的には、第二基板１２の光取り出し面１２ａ側に、第一凸部３１の径に対応した粒径を有する複数の第一粒子からなる粒子膜を形成した後、当該粒子膜をマスクとしてエッチングを施す。これにより、第一粒子の径に対応した径を有する第一凸部３１が第二基板１２上に形成される。更に、この第一凸部３１上に、第二凸部３２の径に対応した粒径を有する複数の第二粒子からなる粒子膜を形成した後、当該粒子膜をマスクとしてエッチングを施す。これにより、第二粒子の径に対応した径を有する第二凸部３２が第一凸部３１上に形成される。
　エッチングを行うに際しては、第二基板１２の構成材料に対するエッチング速度と、第一粒子及び第二粒子の構成材料に対するエッチング速度が有意に異なるような、エッチングガスを利用するのが好適である。例えば、第二基板１２がサファイアからなり、第一粒子及び第二粒子がシリカからなる場合には、エッチングガスとして、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＨ2Ｆ2、及びＮＦ3からなる群より選択される一種類以上のガスを用いることができる。
　なお、第二基板１２の面に第一凸部３１及び第二凸部３２を形成した後に、蛍光プレート１４と接合するものとしても構わない。
　［作用］
　上述したように、発光素子１０が、第一凸部３１を含む第二基板１２を備えたことで、排熱性を確保しながらも発光面積を制限できることにつき、説明する。図４は、発光素子１０に対して励起光２１が照射されたときの、励起光２１及び蛍光２２の光線の進行を模式的に示した図面である。
　励起光２１が第二基板１２に入射されると、この励起光２１は、第二基板１２内を透過して進行し、蛍光プレート１４に入射される。なお、上述したように、第二基板１２の面１２ａ側には、マイクロメートルオーダーの径を有する複数の第一凸部３１が形成されると共に、この複数の第一凸部３１上に、ナノメートルオーダーの径を有する複数の第二凸部３２が形成されている。このため、入射された励起光２１のうち、第二基板１２の面１２ａで反射される光量は少なく、大部分の光は第二基板１２内へと進行する。
　励起光２１は、蛍光プレート１４内の蛍光体粒子１６に入射されると、蛍光体粒子１６が励起されて蛍光２２が生成される。蛍光２２のうち、一部の光は、隣接する蛍光体粒子１６の粒界で反射したり、反射層１３で反射することで、蛍光プレート１４の面に平行なｄ１方向に拡がりながら進行する。この光は、第二基板１２の面１２ａ側に設けられた第一凸部３１の側面３１ａに入射され、当該面から外部に取り出されたり、当該面で反射された後に隣接する第一凸部３１の側面３１ａから取り出される。すなわち、蛍光２２が第一凸部３１の側面３１ａに入射されることで、従来の構成と比較して、透光性基板内における反射の回数が強制的に減らされるため、外部に取り出されるまでのｄ１方向への蛍光２２の進行が抑制される。この結果、第二基板１２の光取り出し面１２ａ側の、限られた範囲内の領域から蛍光２２が取り出される。
　加えて、第二基板１２には、第一凸部３１上にナノメートルオーダーの径を有する第二凸部３２が設けられているため、蛍光プレート１４側から第二基板１２に入射された蛍光２２が、蛍光プレート１４側に散乱又は反射するのを抑制できる。これにより、第二基板１２内における蛍光２２の反射回数が削減され、外部に取り出されるまでのｄ１方向への蛍光２２の進行が抑制される。
　［別実施形態］
　第二基板１２に設けられる第一凸部３１及び第二凸部３２は、必ずしも規則的に配置されていなくても構わない。
　また、図１に示したような、ダイクロイックミラー３を含む蛍光光源装置１の光学的な配置方法は、あくまで一例であり、どのような配置態様であっても構わない。
　　　　１　　　：　　蛍光光源装置
　　　　２　　　：　　励起光源
　　　　３　　　：　　ダイクロイックミラー
　　　１０　　　：　　発光素子
　　　１１　　　：　　第一基板
　　　１２　　　：　　第二基板
　　　１２ａ　　：　　光取り出し面
　　　１３　　　：　　反射層
　　　１４　　　：　　蛍光プレート
　　　１５　　　：　　接合層
　　　１６　　　：　　蛍光体粒子
　　　２１　　　：　　励起光
　　　２２　　　：　　蛍光
　　　３１　　　：　　第一凸部
　　　３１ａ　　：　　凹状孔部の側面
　　　３２　　　：　　第二凸部
　　　４１　　　：　　第一領域
　　　４２　　　：　　第二領域
　　１００　　　：　　従来の発光素子
　　１０１　　　：　　発光部
　　１０２　　　：　　透光性基板
　　１０３　　　：　　凹凸構造
　　１１２　　　：　　蛍光

Claims (8)

  1. 　第一基板と、
    　前記第一基板の上層に形成された反射層と、
    　前記反射層の上層に形成された、蛍光体を含む蛍光プレートと、
    　前記蛍光プレートの上層に形成された、透光性の第二基板とを有し、
    　前記第二基板は、
    　　前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面から、マイクロメートルオーダーの径を有して前記蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する、複数の第一凸部と、
    　　前記第一凸部から、前記第一凸部よりも径の小さいナノメートルオーダーの径を有して、前記蛍光プレートとは反対側の方向に向かって突出する複数の第二凸部と、を有することを特徴とする発光素子。
  2. 　前記第一凸部は、錐体形状又は錐台体形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. 　前記第二基板は、前記第一基板の面に平行な方向に関し、前記蛍光プレートと同等の幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
  4. 　前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面は、
    　　複数の前記第一凸部が形成された第一領域と、
    　　前記第一領域の外側であって、前記第一凸部が形成されていない第二領域とを有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子。
  5. 　前記第二基板は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の発光素子。
  6. 　前記第二基板は、サファイア、ＧａＮ、ＭｇＯ、又はＳｉＣのいずれかを少なくとも含む材料からなることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の発光素子と、
    　励起光を射出する励起光源とを有し、
    　前記励起光は、前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面であって、少なくとも前記第一凸部が形成されている領域内に照射されることを特徴とする蛍光光源装置。
  8. 　前記第一凸部は、前記励起光が照射される領域よりも外側に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の蛍光光源装置。
     
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110568706A (zh) * 2019-08-22 2019-12-13 苏州佳世达光电有限公司 投影机

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014501948A (ja) * 2010-12-09 2014-01-23 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 光を発生させる照明装置
WO2016035776A1 (ja) * 2014-09-01 2016-03-10 デクセリアルズ株式会社 光学体、表示装置および光学体の製造方法
JP2016080864A (ja) * 2014-10-16 2016-05-16 富士フイルム株式会社 反射防止フィルムの製造方法
JP2016100090A (ja) * 2014-11-18 2016-05-30 スタンレー電気株式会社 発光モジュール及びそれを用いた発光装置
WO2017038868A1 (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 旭硝子株式会社 透光性構造体、その製造方法および物品
US20170102486A1 (en) * 2015-05-11 2017-04-13 Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd Polarizing film and liquid crystal display device comprising the same
WO2017135261A1 (ja) * 2016-02-01 2017-08-10 旭硝子株式会社 透光性構造体

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014501948A (ja) * 2010-12-09 2014-01-23 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 光を発生させる照明装置
WO2016035776A1 (ja) * 2014-09-01 2016-03-10 デクセリアルズ株式会社 光学体、表示装置および光学体の製造方法
JP2016080864A (ja) * 2014-10-16 2016-05-16 富士フイルム株式会社 反射防止フィルムの製造方法
JP2016100090A (ja) * 2014-11-18 2016-05-30 スタンレー電気株式会社 発光モジュール及びそれを用いた発光装置
US20170102486A1 (en) * 2015-05-11 2017-04-13 Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd Polarizing film and liquid crystal display device comprising the same
WO2017038868A1 (ja) * 2015-08-31 2017-03-09 旭硝子株式会社 透光性構造体、その製造方法および物品
WO2017135261A1 (ja) * 2016-02-01 2017-08-10 旭硝子株式会社 透光性構造体

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110568706A (zh) * 2019-08-22 2019-12-13 苏州佳世达光电有限公司 投影机

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