JP5592764B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
また、発光素子への投入電流が変化すると色ずれが生じるという問題があった。
ここで、窒化物蛍光体とは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第II族元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第IV族元素と、Nとを含み、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の希土類元素により賦活される蛍光体をいう。
また、本発明に係るアンバー色の発光装置は、前記窒化物蛍光体の発光スペクトルが50nm以上の広い半値幅を有しているため、色覚障害を持つ人にとっても認識しやすいものとできる。
すなわち、本発明は、前記窒化物蛍光体の原料に対して、添加量を制御自在となるように添加されたBが含まれることを特徴とする窒化物蛍光体を用いている。これにより、発光輝度、量子効率、残光等の発光特性の調節を行うことができる。ホウ素を添加していない場合は、発光輝度、量子効率等の発光特性は一定であるが、ホウ素を添加することにより、発光輝度の向上を図ったり、残光を短くしたりすることができる。発光特性の調節は、照明用、表示用などの用途に応じて、要求される特性が異なるため、同じ色調で発光特性を変えることが求められているからである。
また、本発明に係る発光装置において、前記発光素子は紫外発光素子であり、前記第1の蛍光体は酸窒化物蛍光体であってもよい。
さらに、本発明の発光装置において、前記発光素子の発光ピーク波長が、前記第1の蛍光体の第1の励起スペクトルのピーク波長及び前記第2の蛍光体の第2の励起スペクトルのピーク波長より長波長側にあり、かつ前記発光素子の発光ピーク波長の変動範囲において、前記第1の励起スペクトル及び前記励起スペクトルはそれぞれ負の傾きを有することが好ましい。
また、前記窒化物蛍光体の結晶構造は、単斜晶又は斜方晶であることが好ましい。
さらに、前記窒化物蛍光体の結晶構造は、単斜晶又は斜方晶であることが好ましい。
本発明に係る実施の形態1の発光装置は、可視光のうち比較的短波長の青色の光を発光する発光素子(青色発光ダイオード)と、その発光素子の青色光の少なくとも一部を吸収してアンバー色の光を発光する蛍光体とを有する発光装置である。
ここで、特に本実施の形態1の発光装置は、後述する窒化物蛍光体とYAG蛍光体とを用いたことを特徴とし、この2つの蛍光体の発光色の混色により、所望のアンバー色を実現している。
また、本実施の形態1では、第2に、可視光である青色光を発光する発光素子を用いているが、その発光素子は窒化物蛍光体とYAG蛍光体を励起するために用いてその青色光が直接外部に出力されることがないようにし、窒化物蛍光体の発光とYAG蛍光体の発光が混合されたアンバー色の光を出力するようにしている。
具体的には、車載用アンバー色のJIS規格や黄色の交通信号灯の規格があるが、本明細書では、これらの規格の全てを包含する範囲は全てアンバー色である。
より具体的には、車載用アンバー色の規格として、SAE規格(SAE J588)があり、これによれば、図14及び図15の色度図表内の(A)の領域を示すもので、(x、y)=(0.56、0.44)、(0.54、0.42)、(0.60、0.39)、(0.61、0.39)に囲まれる領域をアンバー色としている。また、同様に車載用アンバー色の規格として、JIS規格(JIS D5500)があり、これによれば、図14及び15の色度図表内の(B)の領域を示すもので、(x、y)=(0.571、0.429)、(0.564、0.429)、(0.595、0.398)、(0.602、0.398)に囲まれる領域をアンバー色としている。さらにまた、黄色の交通信号灯としてCIE規格(CIE DS004 2/E−1996)があり、図14及び15の色度図表内の(C)の領域を示すもので、(x、y)=(0.547、0.452)、(0.536、0.444)、(0.593、0.387)、(0.613、0.387)に囲まれる領域をアンバー色としている。本明細書では、すくなくともこれら(A)〜(C)のいずれかの範囲に入るものはアンバー色であるとする。
尚、明細書における色名と色度座標との関係は、全てJIS規格に基づく(JIS Z8110)。
実施の形態1の発光装置は、図1に示すように、紫外領域の発光素子10と、発光素子10を載置するためのカップを有するカソード側のリードフレーム13aと、リードフレーム13aから離れて設けられたアノード側のリードフレーム13bと、リードフレーム13aのカップ内に設けられた蛍光体11を含むコーティング部材12と、全体を覆う透明のモールド部材15を有してなり、蛍光体11として後述の窒化物蛍光体とYAG蛍光体が用いられている。
尚、発光素子10の正の電極3は、導電性ワイヤ14によってリードフレーム13bに接続され、発光素子10の負の電極4は、導電性ワイヤ14によってリードフレーム13aに接続されており、発光素子10、導電性ワイヤ14、リードフレーム13aのカップ及びリードフレーム13bの先端部分が透明のモールド部材15によって覆われている。
まず、発光素子10をダイボンダーによって、リードフレーム13aのカップにフェイスアップでダイボンド(接着)する。
ダイボンド後、リードフレーム13をワイヤーボンダーに移送し、発光素子の負電極3をリードフレーム13aのカップの上端部分に金線(導電性ワイヤ)でワイヤーボンドし、正電極3をもう一方のリードフレーム13bにワイヤーボンドする。
本実施の形態1において使用される蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体と、赤色系の光を発光可能な蛍光体、特に窒化物蛍光体とを組み合わせたものを使用する。これらのYAG系蛍光体および窒化物系蛍光体は、蛍光体11として混合されてコーティング部材12中に含有される。尚、YAG系蛍光体を含むコーティング層と窒化物系蛍光体を含むコーティング層の2層構造としてもよい。
(イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体)
本実施の形態1に用いられるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(YAG系蛍光体)は、YとAlを含むガーネット構造の総称であり、希土類元素から選択された少なくとも一種の元素で付活された蛍光体であり、発光素子10から発光される青色光で励起されて発光する。YAG系蛍光体としては、例えば、(Re1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y、Gd、Laからなる群から選択される少なくとも一種の元素である。)等が挙げられる。
(Re1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、特に、高輝度で長時間使用する場合に好適である。また、励起スペクトルのピークを470nm付近に設定することができる。発光ピークは530nm付近にあり、720nmまで裾を引くブロードな発光スペクトルが得られる。
またアルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で賦活された蛍光体であり、可視光や紫外線で励起されて発光する蛍光体である。
例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体は、緑色系又は赤色系に発光可能である。緑色系に発光可能な蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近であり、発光ピーク波長λpは510nm付近にあり、700nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを有する。また、赤色系に発光可能な蛍光体は、ガーネット構造であり、熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長が420nmから470nm付近であり、発光ピーク波長λpは600nm付近にあり、750nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを有する。
本実施の形態1に用いられるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体である緑色系が発光可能なYAG系蛍光体では、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長を420nmから470nmの範囲に設定することができる。また、発光ピーク波長λpも510nm付近にあり700nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。一方、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体である赤色系が発光可能なYAG系蛍光体も、ガーネット構造であり熱、光及び水分に強く、励起吸収スペクトルのピーク波長を420nmから470nmの範囲に設定することができる。また、発光ピーク波長λpが600nm付近にあり750nm付近まで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。
本実施の形態1のYAG蛍光体は、以下のようにして作製できる。
まず、Y、Gd、Ce、La、Al、Lu、Tb、Sc、Pr、Sm及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、La、Lu、Tb、Sc、Pr、Smの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。
これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物、あるいはNH4Clを適量混合して坩堝に詰め、空気中1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで作製できる。
本実施の形態1の発光装置における窒化物蛍光体は、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の希土類元素により賦活される、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第II族元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第IV族元素と、Nと、を含む蛍光体である。
この窒化物蛍光体の組成中に、Oが含まれていてもよい。
すなわち、Caを用いた窒化物蛍光体は、温度特性に優れていることから、長時間で使用しても劣化速度を小さく抑えることができる。またSrを用いた窒化物蛍光体は、粒径がCaを用いた窒化物蛍光体などの中で最も小さいことから、発光素子からの光を外部に漏らさないようにするという点で最も好ましい。粒径が小さいことで、蛍光体の濃度が小さくても発光素子からの光を外部に漏らさないようにできるので、蛍光体の濃度が高くなることによる光出力の低下を抑えることもできる。
ホウ素を添加した場合、Eu2+の拡散が促進され、発光輝度、エネルギー効率、量子効率等の発光特性の向上を図ることができる。また、粒径を大きくでき、発光特性の向上を図ることができる。
次に、窒化物蛍光体の製造方法の一例として、((SrXCa1−X)2Si5N8:Eu)の製造方法について説明する。尚、本発明は以下の製造方法に限定されるものではない。また、蛍光体には、Mn、Oが含有されていてもよい。
まず、原料のSr、Caを粉砕する。原料のSr、Caは、単体を使用することが好ましいが、イミド化合物、アミド化合物などの化合物を使用することもできる。また原料Sr、Caには、B、Al、Cu、Mg、Mn、Al2O3などを含有するものでもよい。粉砕により得られたSr、Caは、平均粒径が約0.1μmから15μmであることが好ましい。Sr、Caの純度は、2N以上であることが好ましい。より混合状態を良くするため、金属Ca、金属Sr、金属Euのうち少なくとも1以上を合金状態としたのち、窒化し、粉砕後、原料として用いることもできる。
3Sr + N2 → Sr3N2 ・・・(式1)
3Ca + N2 → Ca3N2 ・・・(式2)
Sr、Caを、窒素雰囲気中、600〜900℃、約5時間、窒化する。Sr、Caは、混合して窒化しても良いし、それぞれ個々に窒化しても良い。これにより、Sr、Caの窒化物を得ることができる。Sr、Caの窒化物は、高純度のものが好ましいが、市販のものも使用することができる。
3Si + 2N2 → Si3N4 ・・・(式3)
ケイ素Siも、窒素雰囲気中、800〜1200℃、約5時間、窒化する。これにより、窒化ケイ素を得る。本発明で使用する窒化ケイ素は、高純度のものが好ましいが、市販のものも使用することができる。
上記粉砕を行った後、Sr、Ca、Sr−Caの窒化物、Siの窒化物、Euの化合物Eu2O3を混合し、Mnを添加する。
(式4)(X/3)Sr3N2+((1.97−X)/3)Ca3N2+(5/3)Si3N4+(0.03/2)Eu2O3
→SrXCa1.97−XEu0.03Si5N7.98O0.045
他の組成の窒化物蛍光体は、原料の選択、配合比率を変更することにより製造できる。
焼成温度は、1200から1700℃の範囲で焼成を行うことができるが、1400から1700℃の焼成温度が好ましい。焼成は、徐々に昇温を行い1200から1500℃で数時間焼成を行う一段階焼成を使用することが好ましいが、800から1000℃で一段階目の焼成を行い、徐々に加熱して1200から1500℃で二段階目の焼成を行う二段階焼成(多段階焼成)を使用することもできる。蛍光体の原料は、窒化ホウ素(BN)材質の坩堝、ボートを用いて焼成を行うことが好ましい。窒化ホウ素材質の坩堝の他に、アルミナ(Al2O3)材質の坩堝を使用することもできる。
以上、説明した実施の形態1の窒化物蛍光体は、その組成によって励起スペクトル及び発光スペクトルを比較的広い範囲内において調整することができ、YAG蛍光体との組み合わせによって所望のアンバー色の発光装置を構成することが可能となる。
また、2種類の蛍光体を用いて発光装置を構成した場合に生じることがある、発光素子の発光波長の変動による色ずれを抑制するような組成の選択が可能である。
原料に添加するホウ素は、ボロン、ホウ化物、窒化ホウ素、酸化ホウ素、ホウ酸塩等が使用できる。具体的には、BN、H3BO3、B2O6、B2O3、BCl3、SiB6、CaB6などが挙げられる。これらのホウ素化合物は、原料に所定量を秤量して、添加する。原料へのホウ素の添加量と、焼成後のホウ素の含有量とは、必ずしも一致しない。ホウ素は、製造工程における焼成段階で、一部が飛散するため、焼成後のホウ素の含有量は、原料への添加時よりも少なくなる。
また、窒化物蛍光体は、その組成および組成比の選択により、黄色の黄赤の範囲において色度を自由に調整できる他、その励起スペクトルや励起効率等を比較的広い範囲で調整できる。
したがって、所定の色度が得られるように組成及び組成比が調整されたYAG蛍光体と、そのYAG蛍光体との組み合わせることによって所望のアンバー色が得られるようにその組成及び組成比が調整された窒化物蛍光体とを適切な範囲で組み合わせることによって、所定のアンバー色が実現できる。
コーティング部材12(光透光性材料)は、リードフレーム13のカップ内に設けられるものであり発光素子10の発光を変換する蛍光体11と混合して用いられる。コーティング部材12の具体的材料としては、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの温度特性、耐候性に優れた透明樹脂、金属アルコキシドなどからゾルゲル法により生成される透光性無機材料、ガラス、無機バインダーなどが用いられる。また、蛍光体11と共に拡散剤、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウムなどを含有させても良い。また、光安定化剤や着色剤を含有させても良い。
本実施の形態1では、コーティング部材に含まれる蛍光体の量を15wt%以上にすることにより、発光素子の青色光の外部への出力が抑えられ、発光色が実質的に蛍光体のみが発光する光により決定される。
具体的には、蛍光体の量がコーティング部材の15重量パーセントであるとき、発光素子からの光が直接外部に放出される光の量は、全光束で10%となる。このように発光素子からの直接外部に放出される光の量を10%以下とすると、発光色が実質的に蛍光体の発光のみによって決定され、アンバー色の発光が可能な発光装置を得ることができる。
実施の形態1の発光素子は、例えば、サファイアからなる基板1と、その上に形成された半導体層2と、その半導体層2の同一平面側に形成された正負の電極が形成されている。前記半導体層2は発光層(図示しない)を含む複数の層からなり、この発光層から青色光が出力される。
紫外から青色領域の500nm以下の光の発光が可能な半導体発光素子の材料として、BN、SiC、ZnSeやGaN、InGaN、InAlGaN、AlGaN、BAlGaN、BInAlGaNなど種々の半導体を挙げることができる。これらの元素に不純物元素としてSiやZnなどを含有させ発光中心とすることもできる。蛍光体を効率良く励起できる紫外領域から可視光の短波長を効率よく発光可能な発光層の材料として特に適した材料として、窒化物半導体(例えば、AlやGaを含む窒化物半導体、InやGaを含む窒化物半導体としてInXAlYGa1−X−YN、0<X<1、0<Y<1、X+Y≦1)が挙げられる。
その構造例では、まず、バッファ層上に、サファイア基板のオリフラ面と略垂直にSiO2をストライプ状に形成する。次に、ストライプ上にHVPE法を用いてGaNをELOG(Epitaxial Lateral Over Grows GaN)成長させる。続いて、MOCVD法により、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・アルミニウム・ガリウムの井戸層と窒化アルミニウム・ガリウムの障壁層を複数積層させた多重量子井戸構造の活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させることによりダブルへテロ構造を構成する。この構造では、活性層をリッジストライプ形状としガイド層で挟むと共に共振器端面を設け本発明に利用可能な半導体レーザー素子とすることもできる。
また、本発明に係る発光装置において、後述の実施の形態2のように青色発光素子以外を用いる場合には、窒化物蛍光体の励起波長と透光性の樹脂の劣化の両方を考慮して、発光素子の発光波長は、その主発光波長が360nm以上420nm以下に設定することが好ましい。
リードフレーム13は、マウントリード13aとインナーリード13bとから構成される。
導電性ワイヤ14は、発光素子10の電極3とリードフレーム13とを電気的に接続するものである。導電性ワイヤ14は、電極3とオーミック性、機械的接続性、電気導電性及び熱伝導性が良いものが好ましい。導電性ワイヤ14の具体的材料としては、金、銅、白金、アルミニウムなどの金属及びそれらの合金などが好ましい。
モールド部材15は、発光素子10、蛍光体11、コーティング部材12、リードフレーム13及び導電性ワイヤ14などを外部から保護するために設けられている。モールド部材15は、外部からの保護目的の他に、視野角を広げたり、発光素子10からの指向性を緩和したり、発光を収束、拡散させたりする目的も併せ持っている。モールド部材は、これらの目的を達成するために適した形状にすることができる。例えば、モールド部材15は、凸レンズ形状、凹レンズ形状の他、複数積層する構造であっても良い。モールド部材15の具体的材料としては、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、金属アルコキシドなどからゾルゲル法により生成される透光性無機材料、ガラスなどの透光性、耐候性、温度特性に優れた材料を使用することができる。モールド部材15には、拡散剤、着色剤、紫外線吸収剤や蛍光体を含有させることもできる。拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム等が好ましい。コーティング部材12との材質の反発性を少なくするため、屈折率を考慮するため、同材質を用いることが好ましい。
本発明に係る実施の形態2の発光装置は、実施の形態1の発光装置において窒化物蛍光体の励起効率の励起波長依存性と、YAG蛍光体の励起効率の励起波長依存性とを考慮して窒化物蛍光体の組成及び組成比とYAG蛍光体のの組成及び組成比とを設定することにより、発光素子の発光波長の変動による色ずれを防止したものである。
すなわち、実施の形態1のように2種類の蛍光体を用いて発光装置を構成した場合、発光素子の発光波長の変動により、2つの蛍光体における励起効率の波長依存性が異なる場合には、光の混合比が変化し、発光色が変動する。
しかしながら、本実施の形態2の発光装置では、発光素子の発光波長が変化した場合でも、窒化物蛍光体の励起効率とYAG蛍光体の励起効率が同じように変化するようにして、発光素子の発光波長の変動範囲において、光の混合比が常に一定に保たれるように窒化物蛍光体とYAG蛍光体の組成を設定している。
このように、YAG蛍光体と窒化物蛍光体の組成及び組成比を設定すると、色ずれの少ないアンバー色の発光装置が実現できる。
まず、半導体発光素子は、図2に示すように、投入電流を増加することにより、ピーク波長が短波長側にシフトする。これは、投入電流を増加すると、電流密度が大きくなって、バンドギャップが大きくなることなどによる。発光素子への電流密度が小さい場合の発光スペクトルのピーク波長と、投入電流を増加させた時の発光スペクトルのピーク波長との変動は、例えば、20mAから100mAの投入電流の変化に対して、約10nm程度である(図2)。
そこで、発光素子として、電流を投入した直後(例えば、20mA程度の低い電流値のとき)の発光ピーク波長が460nmである素子を選択すると、その発光素子において投入電流を増加して100mAの電流を投入した場合、発光ピーク波長は約450nmとなるが、波長460nmの光で励起した場合と、波長450nmの光で励起した場合とでは、窒化物蛍光体の励起効率とYAG蛍光体の励起効率の比率には変化がない。
これにより、発光素子における投入電流量により発光ピーク波長が変化した場合であっても、YAG蛍光体の発光強度と窒化物蛍光体の発光強度の比を一定にでき、色ずれの発生を無くすことができる。
本発明に係る実施の形態3の発光装置は、実施の形態1の発光装置において窒化物蛍光体の発光強度の温度依存性と、YAG蛍光体の発光強度の温度依存性とを考慮して窒化物蛍光体の組成及び組成比とYAG蛍光体のの組成及び組成比とを設定することにより、色ずれを防止したものである。
本実施の形態1においては、周囲温度を1℃変化させたときの相対発光出力の低下割合を発光出力低下率と定義し、2以上の蛍光体の発光出力低下率は共に4.0×10−3[a.u./℃]以下、好ましくは3.0×10−3[a.u./℃]以下、より好ましくは2.0×10−3[a.u./℃]以下となるように蛍光体の組成を調整する。これにより、従来と比較して発熱を伴う発光装置全体の光束[lm]の低下を更に抑えることが可能である。したがって、本実施の形態1では、上述の範囲に発光出力低下率を調整し、かつ2以上の蛍光体の温度上昇に対する発光出力低下率がほぼ等しい構成としてある。このようにすることにより発熱によって励起効率が低下する蛍光体の温度特性がほぼ同じとなり、周囲温度が変化しても色ズレの発生を抑えることが可能な発光装置を形成することができる。
実施の形態1〜3の発光装置では、コーティング樹脂における蛍光体量を多くすることにより発光素子の発光が外部に放出されないようにし、実質的に蛍光体の発光のみにより発光色が決定されるようにした。しかしながら、本発明では、発光素子が発光する青色光の外部への放出を阻止する色フィルタを用いて構成するようにしてもよい。
例えば、発光素子の青色光と蛍光体の発光とによる電球色の発光色が得られるようにし、その電球色光のうち比較的短波長域の可視光成分を色フィルタによってカットして出力するように構成するとアンバー色が実現できる。
また、色フィルタキャップ16に代えて、例えば、モールド部材15に発光素子の発光色と同一色を有する無機又は有機顔料を含ませることにより、モールド部材15そのものに短波長成分の通過を阻止するフィルタ機能を持たせるようにしてもよい。
尚、本変形例では、青色光等の短波長成分をカットする色フィルタを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、本発明では、短波長成分に限らず、短波長成分と長波長成分、又は長波長成分のみなど不要な波長成分をカットする色フィルタを設けるようにしてもよい。これにより、所望の発光色の実現が可能になる。
本発明に係る実施の形態4の発光装置は、実施の形態1の発光装置において、(1)青色発光素子に代えて、紫外の光を発する発光素子を用い、(2)YAG蛍光体に代えて酸窒化物蛍光体を用いた以外は実施の形態1と同様に構成される。
すなわち、本実施の形態4の発光装置は、紫外の光を発する発光素子と、窒化物蛍光体と、酸窒化物蛍光体とを組合せた点に特徴があり、窒化物蛍光体の発光色と酸窒化物蛍光体との発光色の混色によって所望のアンバー色を実現している。
例えば、(Ca0.985Eu0.015)2Si5N8で表される窒化物蛍光体は、励起スペクトルのピーク波長が約370nmであり、そのピーク波長より波長が長くなると励起効率は下がる。また、CaSi2O2N2:Euで表される酸窒化物蛍光体の励起スペクトルにおけるピーク波長は約370nmであり、そのピーク波長より波長が長くなると励起効率は低くなる。
また、この励起効率の低下率は、窒化物蛍光体及び酸窒化物蛍光体の組成を適宜選択することにより、ほぼ同一とできる。
尚、本実施の形態において、窒化物蛍光体の励起スペクトルにおけるピーク波長及び酸窒化物蛍光体のの励起スペクトルにおけるピーク波長は、各組成を適宜選択することにより、より短波長側又は長波長側にシフトさせることができ、選択する発光素子の波長に応じて調整できる。
以上のように、本実施の形態4の発光装置によれば、紫外の光を発する発光素子を用いてアンバー色の発光装置を実現できる。
この実施の形態4のアンバー色の発光装置は、紫外の光を発する発光素子を用いて構成していることから、実施の形態1の場合のように、発光素子の光の外部への出射を必ずしも抑える必要はない。
本実施の形態4に係る酸窒化物蛍光体は、賦活剤に希土類元素を用いており、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種以上である第II族元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種以上である第IV族元素と、を少なくとも含有する酸窒化物蛍光体結晶を含む蛍光体である。
ここで、酸窒化物蛍光体結晶は、例えば、後述の実施例で示す斜方晶に属する結晶からなる酸窒化物蛍光体である。
上記列記されたII族元素と第IV族元素の組合せは任意であるが、以下の組成のものを使用することが好ましい。
尚、発光輝度等の調整を目的として、含有される結晶の割合を所望の値に設定したい場合には、上記一般式中、X、Y、Zの値により調整することもできる。
但し、上記範囲は好ましい範囲であって、本発明は、上記範囲に限定されるものではない。
酸窒化物蛍光体に含まれる第II族元素の一部は、賦活剤Rで置換される。第II族元素と前記賦活剤Rとの混合量に対して、前記賦活剤Rの量は、(前記第II族元素と前記賦活剤Rとの混合量):(前記賦活剤Rの量)=1:0.001乃至1:0.8のモル比であることが好ましい。
Mは、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種以上である第IV族元素である。Mも、Si、Ge等を単体であってもよいし、SiとGe、SiとC等の複数の元素の組合せからなっていてもよい。本発明では、上述の第IV族元素を用いることができるが、特にSi、Geを用いることが好ましい。Si、Geを用いることにより安価で結晶性の良好な蛍光体を提供することができる。
Rは、希土類元素である。具体的には、Rは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lrから選ばれる1又は2以上の元素である。本発明では、これら希土類元素のうち、Euを用いることが好ましい。また、Euと、希土類元素から選ばれる少なくとも1以上の元素と、を含んでいてもよい。その場合、Rとして、Euが50重量%以上、より好ましくは70%以上含有されていることが好ましい。すなわち、賦活剤Rは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lrからなる群から選ばれるEuを必須とする少なくとも1種以上である希土類元素であることが好ましい。Eu以外の元素は、共賦活剤として、作用するためである。
尚、本明細書においては、発光中心として、代表例であるEuを用いたものについて説明する場合もあるが、本発明はこれに限定されるものではない。
Qは、B、Al、Ga、Inからなる群から選ばれる少なくとも1種以上である第III族元素である。Qも、金属、酸化物、イミド、アミド、窒化物及び各種塩類などを用いることができる。例えば、B2O6、H3BO3、Al2O3、Al(NO3)3・9H2O、AlN、GaCl3、InCl3等である。
次に、本実施の形態4に係る酸窒化物蛍光体、CaSi2O2N2:Euの製造方法を説明する。尚、本発明は、以下の製造方法に限定されるものではない。
まず、Caの窒化物、Siの窒化物、Siの酸化物、Euの酸化物を準備する。これら原料は、精製したものを用いる方が良いが、市販のものを用いても良い。
最初に、原料のCaを粉砕する。原料のCaは、単体を使用することが好ましいが、イミド化合物、アミド化合物、CaOなどの化合物を使用することもできる。また原料Caは、B、Gaなどを含有するものでもよい。原料のCaは、アルゴン雰囲気中、グローブボックス内で粉砕を行う。粉砕により得られたCaは、平均粒径が約0.1μmから15μmであることが好ましいが、この範囲に限定されない。Caの純度は、2N以上であることが好ましいが、これに限定されない。
次に、粉砕した原料のCaを、窒素雰囲気中で窒化する。Caの窒化物は、粉砕したCaを窒素雰囲気中、600〜900℃で、約5時間、窒化することにより、得ることができる。この反応式を、式5に示す。
(式5)
3Ca + N2 → Ca3N2 Caの窒化物は、高純度のものが好ましいことはいうまでもない。Caの窒化物として、市販のものも使用することができる。
次に、Caの窒化物を粉砕する。Caの窒化物を、アルゴン雰囲気中、若しくは、窒素雰囲気中、グローブボックス内で粉砕を行う。
最初に、原料のSiを粉砕する。原料のSiは、単体を使用することが好ましいが、窒化物化合物、イミド化合物、アミド化合物などを使用することもできる。例えば、Si3N4、Si(NH2)2、Mg2Si、Ca2Si、SiCなどである。原料のSiの純度は、3N以上のものが好ましいが、B、Gaなどが含有されていてもよい。Siも、原料のCaの場合と同様に、アルゴン雰囲気中、若しくは、窒素雰囲気中、グローブボックス内で粉砕を行う。Si化合物の平均粒径は、約0.1μmから15μmであることが好ましい。
原料のSiを、窒素雰囲気中で窒化する。窒化ケイ素は、ケイ素Siを窒素雰囲気中、800〜1200℃で、約5時間、窒化することにより得られる。この反応式を、式6に示す。
(式6)
3Si + 2N2 → Si3N4
本発明で使用する窒化ケイ素は、高純度のものが好ましいことはいうまでもない。尚、窒化ケイ素として、市販のものを使用してもよい。
3.Siの酸化物の準備
Siの酸化物であるSiO2は、市販のものを用いる(和光純薬製 Silicon Dioxide 99.9%,190-09072)。
以上のようにして精製又は製造を行った原料(Caの窒化物、Siの窒化物、Siの酸化物、Euの酸化物)を所定のモル量になるように秤量する。
そして、その秤量した原料を、混合する。
次に、Caの窒化物、Siの窒化物、Siの酸化物、Euの酸化物の混合物をアンモニア雰囲気中、約1500℃で、焼成する。その焼成された混合物を坩堝に投入し、焼成する。
混合及び焼成により、CaSi2O2N2:Euで表される酸窒化物蛍光体を得ることができる。この焼成による基本構成元素の反応式を、式7に示す。
(式7)
(1/3)Ca3N2+(1/3)Si3N4+SiO2+aEu2O3
→CaSi2O2N2:Eu
ただし、この組成は、配合比率より推定される代表組成であり、その比率の近傍では、実用に耐える十分な特性を有する。また、各原料の配合比率を変更することにより、目的とする蛍光体の組成を変更することができる。
また、還元雰囲気は、窒素雰囲気、窒素−水素雰囲気、アンモニア雰囲気、アルゴン等の不活性ガス雰囲気等である。
なお、Bを含むCaXSiYBTOZN((2/3)X+Y+T−(2/3)Z−α):Euで表される酸窒化物蛍光体は、以下のようにして製造することができる。
あらかじめ、Euの酸化物に、Bの化合物H3BO3を乾式混合する。Euの化合物として、酸化ユウロピウムを使用するが、前述の他の構成元素と同様、金属ユウロピウム、窒化ユウロピウムなども使用可能である。このほか、原料のEuは、イミド化合物、アミド化合物を用いることもできる。酸化ユウロピウムは、高純度のものが好ましいが、市販のものも使用することができる。Bの化合物を乾式混合するが、湿式混合することもできる。これらの混合物は、酸化されやすいものもあるため、Ar雰囲気中、又は、窒素雰囲気中、グローブボックス内で、混合を行う。
上記粉砕を行った後、前述のCaSi2O2N2:Euの製造工程とほぼ同様に、Caの窒化物、Siの窒化物、Siの酸化物、Bを含有するEuの酸化物、を混合する。該混合後、焼成を行い、目的の酸窒化物蛍光体を得ることができる。
(1)本実施の形態4の酸窒化物蛍光体は、その組成及び組成比を選ぶことにより、青緑色領域〜黄赤色領域の比較的広い範囲において所望の発光色を設定でき、色調、発光輝度、量子効率等も幅広く調整できる。
例えば、II族元素を2種以上使用して、その比率を変えることにより、色調、発光輝度、量子効率を調整できる。
(2)YAG系蛍光体は、紫外〜短波長の可視領域の光による励起ではほとんど発光しないが、本実施の形態4の酸窒化物蛍光体は、紫外〜短波長の可視領域の光の励起により高い発光効率が得られる。
すなわち、本実施の形態4の酸窒化物蛍光体により紫外〜短波長の可視領域の発光素子との組み合わせに適した蛍光体を提供できる。
(3)結晶質であることから、粉体又は粒体として容易に製造することができ、その取り扱い及び加工が容易である。
尚、実施の形態4の発光装置において、酸窒化物蛍光体以外の構成要素については、実施の形態1と同様であるからその説明は省略する。
本発明に係る実施の形態5の発光装置は、実施の形態1の発光装置において、青色発光素子に代えて、紫外の光を発する発光素子と青色の蛍光体とを用いて構成した以外は実施の形態1と同様に構成される。
以上のように構成された本実施の形態5の発光装置では、紫外の光を発する発光素子が青色蛍光体を励起して青色光を発生させ、その青色光によって、YAG蛍光体と窒化物蛍光体とを励起している。
すなわち、本実施の形態5の発光装置では、励起光源として、紫外の光を発する発光素子によって励起される青色蛍光体を用いている点で実施の形態1とは異なるが、YAG蛍光体の発光色と窒化物蛍光体の発光色との混色により発光装置としての発光色が決定される点では実施の形態1と同様である。
したがって、本実施の形態5の発光装置においては、励起光源の波長の変動による色ずれはほとんど生じないので、色ずれの少ないアンバー色の発光装置が実現できる。
したがって、本実施の形態5の発光装置では、YAG蛍光体の発光色と窒化物蛍光体の組成及び組成比の設定において、各蛍光体の波長依存性を考慮する必要がないので、組成及び組成比の選択の自由度が広がる上に、実施の形態2の発光装置と同様、色ずれの少ないアンバー色の発光装置が実現できる。
本実施の形態5の青色蛍光体として、例えば、以下の(1)〜(13)から選択することができる。
(1)(M11−a−bEuaL1b)10(PO4)6Q2で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種と、L1はMn、Fe、Cr、Snから選択される少なくとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される少なくとも1種とを有する。0.0001≦a≦0.5、0.0001≦b≦0.5である。
(2)(M11−aEua)10(PO4)6Q2で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される少なくとも1種とを有する。0.0001≦a≦0.5である。
(3)(M11−a−bEuaMnb)10(PO4)6Q2で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される少なくとも1種とを有する。0.0001≦a≦0.5、0.0001≦b≦0.5である。
(4)(M21−a−cEuaBac)10(PO4)6Q2で表される蛍光物質、
ただし、M2はMg、Ca、Sr、Znから選択される少なくとも1種と、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される少なくとも1種とを有する。0.0001≦a≦0.5、0.10≦c≦0.98である。
(5)M11−aEuaAl2O4で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5である。
(6)M11−a−bEuaMnbAl2O4で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5、0.0001≦b≦0.5である。
(7)M31−a−cEuaCacAl2O4で表される蛍光物質、
ただし、M3はMg、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5、0.10≦c≦0.98である。
(8)M41−aEuaMgAl10O17で表される蛍光物質、
ただし、M4はCa、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5である。
(9)M41−aEuaMg1−bMnbAl10O17で表される蛍光物質、
ただし、M4はCa、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5、0.0001≦b≦0.5である。
(10)(M11−aEua)4Al14O25で表される蛍光物質、
ただし、M1はMg、Ca、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも1種を有する。0.0001≦a≦0.5である。
(11)ZnS:Agで表される蛍光物質、
(12)(Zn、Cd)S:Ag、Mnで表される蛍光物質、
(13)(M1−aEua)2B5O9Q(Mは、Mg、Cu、Ba、Sr、Znから選択される少なくとも一種であり、Qは、F、Cl、Br、Iから選択される少なくとも一種である。)で表される蛍光物質。
尚、他の窒化物蛍光体、YAG蛍光体、発光素子等の他の要素は、実施の形態1と同様であるから、その詳細な説明は省略する。
実施の形態5の発光装置では、コーティング樹脂に含まれる各蛍光体の量を調整することにより、青色光が外部に放出されないようにし、実質的にYAG系蛍光体の発光と窒化物蛍光体の発光のみの混色により発光色が決定されるようにした。しかしながら、本発明では、発光素子が発光する青色光の外部への放出を阻止する色フィルタを用いて構成するようにしてもよい。
また、本発明では、短波長成分に限らず、短波長成分と長波長成分、又は長波長成分のみなど不要な波長成分をカットする色フィルタを設けるようにしてもよい。
本発明に係る実施の形態6の発光装置は、紫外又は比較的短波長の可視光の発光素子と窒化物蛍光体とを含み、アンバー色の発光が可能な表面実装型の発光装置である(図5)。
実施の形態5において、発光素子101は、実施の形態1の発光素子10と同様のものを使用することができる。
以上のように構成されたパッケージ105の凹部内に、Ag−Sn合金にて上述のLEDチップ101がダイボンドされる。このように構成することにより、発光装置の構成部材を全て無機物とすることができ、LEDチップ101から放出される発光が紫外領域或いは可視光の短波長領域であったとしても飛躍的に信頼性の高い発光装置が得られる。
ガラス窓部107には、例えば、Bが添加されたCa2Si5N8:Eu、(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce等の窒化物蛍光体とYAG蛍光体を含む色変換層109が形成されている。この色変換層109は、あらかじめニトロセルロース90wt%とγ−アルミナ10wt%からなるスラリーに窒化物蛍光体からなる蛍光体108を含有させ、透光性窓部107の背面(凹部に対向する面)に塗布し、220℃にて30分間加熱硬化させることにより形成される。
また、半導体発光素子に限られるものできなく、他の励起光源を使用してもよい。
以上の実施の形態では、窒化物蛍光体と、YAG系蛍光体若しくは酸窒化物蛍光体との組み合わせたものについて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、窒化物蛍光体と、YAG系蛍光体または酸窒化物蛍光体以外の蛍光体を組み合わせることもできる。
実施例1では、発光素子としては青色発光素子を、本発明の第1の蛍光体としてYAG系蛍光体と、第2の蛍光体としてホウ素(B)を添加した窒化物系蛍光体とを用いて、図1に示す構造の発光装置(発光ダイオード)を作製した。また比較例としてAlInGaP系の発光素子との特性について評価した。
具体的には、実施例1では、発光素子として発光ピーク波長が460nmの青色発光素子を用い、YAG系蛍光体として、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、窒化物系蛍光体として、ホウ素を添加したCa2Si5N8:Euを用いた。
また、実施例1において、樹脂と蛍光体の比率は、樹脂:YAG系蛍光体:窒化物系蛍光体=10:3.5:3.5とした。
このように、樹脂に対する蛍光体量を70%とすると、図1の構造の発光装置では、アンバー色規格(B)を満足するものが提供できる。
尚、図6〜図11及び図14に示す測定値は、DC駆動、環境温度Ta=25℃の条件で測定したものである。また、図6はIf=20mAの条件における測定値である。
図14に示すように、実施例1の発光装置は、発光素子に投入する電流の変動に対して色度がほとんど変化しないのに対して、比較例では発光素子に投入する電流の変動に対する色度が変化している。
また、図9には実施例1で用いた発光素子における投入電流の変化に対する発光スペクトルの変動を示している。
すなわち、青色の光を発する発光素子が発光する光によって励起された第1の蛍光体からの第1の光と、第2の蛍光体からの第2の光との混色による発光ピーク波長は投入電流を増加させてもずれることはない。この結果は、青色発光素子が発光した光は外部にほとんど放出されていないことを示している。
尚、図12に示す測定値は、パルス駆動、Ifp=20mA、周波数200Hz、パルス幅=50μ秒、デューティー比1%の条件で測定したものである。
図12に示すように、実施例1の発光装置は、市販のAlInGaP系発光素子(A社製、B社製、C社製)に比べて、発光出力(全光束)の温度依存性は小さく、安定した光出力が得られることがわかる。
実施例2〜4では、実施例1と同じ青色発光素子と蛍光体を用い、コーティング部における樹脂に対する蛍光体の比率を変化させて図5に示す発光装置を作製し評価した。
尚、蛍光体の濃度は、樹脂に対する第1の蛍光体と第2の蛍光体の総量で算出した。
樹脂に対する蛍光体の比率は、実施例2が15%であり、実施例3が20%であり、実施例4が25%である。尚、ここでいう比率は、重量比である。
また、ここでは製造ばらつきを考慮して各実施例についてそれぞれ3つのサンプルを作製した。
尚、図15に示す測定値は、パルス駆動、Ifp=350mA、環境温度Ta=25℃、周波数200Hz、パルス幅=50μ秒、デューティー比1%の条件で測定したものである。
尚、実施例3及び4の発光装置における、発光素子の光の外部への漏れは発光装置のメインピークに対してそれぞれ0.03及び0.01であり、この比を0.01以下にすることによりアンバー色の規格(B)を満足させることができる。
尚、実施例2のピーク波長は605nm、半値幅は108.4nm、出力Poは、36.4mWで、全光束は、11.5lm(ルーメン)あった。
また、実施例3のピーク波長は606nm、半値幅は105.9nm、出力Poは31.3mWで、全光束は、9.4lm(ルーメン)あった。
さらに、実施例4のピーク波長は607nm、半値幅は102.5nm、出力Poは26.8mWで、全光束は、7.7lm(ルーメン)あった。
本実施例5では、発光素子として、発光ピーク波長が460nmの青色発光素子を用い、YAG系蛍光体として、Y3(Al,Ga)5O12:Ce、窒化物系蛍光体として、ホウ素(B)を添加したCa2Si5N8:Euを用いた。また、蛍光体の樹脂に対する比率は25パーセントとした。
この結果、色度点はアンバー色の規格(B)からは外れるが、規格(A)及び(C)に入り、また、投入電流の増加による色ずれは見られなかった。
本実施例6では、発光素子として、発光ピーク波長が460nmの青色発光素子を用い、YAG系蛍光体として、Y3(Al,Ga)5O12:Ce、窒化物系蛍光体として、ホウ素(B)を添加したSr2Si5N8:Euを用いた。また、蛍光体の樹脂に対する比率は25パーセントとした。
この結果、色度点はアンバー色の規格(B)に入り、また投入電流の増加による色ずれは見られなかった。
本実施例7では、発光素子として、発光ピーク波長が465nmの青色発光素子を用い、YAG系蛍光体として、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、窒化物系蛍光体として、ホウ素(B)を添加したCa2Si5N8:Euを用いた。また、蛍光体の樹脂に対する比率は25パーセントとした。この結果、色度点はアンバー色の規格(B)に入り、また投入電流の増加による色ずれは見られなかった。
2 半導体層
3 電極
4 バンプ
10 発光素子
11 蛍光体
12 コーティング部材
13 リードフレーム
13a マウントリード
13b インナーリード
14 導電性ワイヤ
15 モールド部材
101 発光素子
102 リード電極
103 絶縁封止材
104 導電性ワイヤ
105 パッケージ
106 リッド
107 窓部
108 蛍光体
109 コーティング部材
Claims (6)
- 青色発光素子と、
その発光素子が発光する光によって励起されてその励起光より長波長域の第1の光を発光する第1の蛍光体と
前記発光素子が発光する光によって励起されて前記第1の光よりさらに長波長域の第2の光を発光する窒化物蛍光体からなる第2の蛍光体とからなり、
前記第1の光と前記第2の光の混色によるアンバーの発光色を有する発光装置であって、
前記第1の蛍光体はYAG系蛍光体であり、
前記窒化物蛍光体は、Bを1ppm以上10000ppm以下の割合で含み、
前記アンバーの発光色は、色度図表における、
(a)(x、y)=(0.56、0.44)、(0.54、0.42)、(0.60、0.39)、(0.61、0.39)に囲まれる領域、
(b)(x、y)=(0.571、0.429)、(0.564、0.429)、(0.595、0.398)、(0.602、0.398)に囲まれる領域、
(c)(x、y)=(0.547、0.452)、(0.536、0.444)、(0.593、0.387)、(0.613、0.387)に囲まれる領域、
のいずれかの領域内に位置する発光色であり、
前記発光素子の発光のうち、直接外部に漏れる青色光の強度を、蛍光体の発光のメインピークにおける強度の10%以下とし、発光装置の発光スペクトルの半値幅が50nm以上であることを特徴とする発光装置。 - 前記発光素子の発光ピーク波長が、前記第1の蛍光体の第1の励起スペクトルのピーク波長及び前記第2の蛍光体の第2の励起スペクトルのピーク波長より長波長側にあり、かつ前記発光素子の発光ピーク波長の変動範囲において、前記第1の励起スペクトル及び前記励起スペクトルはそれぞれ負の傾きを有する請求項1記載の発光装置。
- 前記第1の励起スペクトル及び前記励起スペクトルの傾きによって表される第1の蛍光体と第2の蛍光体の励起効率の励起波長に対する変化率が、前記発光素子の発光ピーク波長の変動範囲において実質的に等しい請求項2記載の発光装置。
- 前記窒化物蛍光体は、一般式、LXMYN((2/3)X+(4/3)Y):R(Lは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第II族元素である。Mは、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、Hfからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の第IV族元素である。Rは、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の希土類元素である。X、Y、Zは、0.5≦X≦3、1.5≦Y≦8、0<Z≦3である。)で表される窒化物蛍光体である請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記窒化物蛍光体は、CaとSiを含む窒化物蛍光体である請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記窒化物蛍光体の結晶構造は、単斜晶又は斜方晶である請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の発光装置。
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