(57)【要約】  発光素子（１０）は、電圧の印加により光を発する活性層（１７）を有する発光部（１４）と、発光部（１４）上における前記光の照射領域に配置された金属薄膜（１１）とを備えている。金属薄膜（１１）には、前記光の波長よりも小さい径を持つ複数の開口部（１２）が設けられており、各開口部（１２）に少なくとも１つの蛍光体（１３）が配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加により光を発する活性層を有する発光部と、
前記発光部上における前記光の照射領域に配置された金属薄膜とを備え、
前記金属薄膜には、前記光の波長よりも小さい径を持つ複数の開口部が設けられており、
前記複数の開口部のそれぞれに少なくとも１つの蛍光体が配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子において、
前記蛍光体は、１００ｎｍ以下の寸法を持つ粒子であることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の発光素子において、
前記複数の開口部のそれぞれは、５０ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下の径を持つことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記蛍光体として、青色、緑色及び赤色のそれぞれの波長領域で発光する３種類の蛍光体が用いられていることを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の発光素子において、
前記活性層が発する前記光の波長をλact とし、前記青色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ1 とし、前記緑色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ2 とし、前記赤色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ3 としたときに、λact ＜λ1 、λact ＜λ2 、λact ＜λ3 であることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記蛍光体は量子ドットからなることを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項６に記載の発光素子において、
前記量子ドットは、１ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下の寸法を持つことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記発光部は面発光型レーザであり、
前記金属薄膜は前記面発光型レーザ上に形成されており、
前記面発光型レーザが発生するレーザ光により前記蛍光体が励起されることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記発光部は発光ダイオードであり、
前記金属薄膜は前記発光ダイオード上に形成されており、
前記発光ダイオードが発生する光により前記蛍光体が励起されることを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色光源となる発光素子に関し、特に、発光ダイオードや面発光型レーザ等から出射される光が蛍光体を励起して発光させることにより、異なる光が混合されて白色光として出射される発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色発光可能な固体発光素子は、小型で、効率が高く且つ消費電力が低いデバイスであり、現在使用されている蛍光灯や白熱灯の代替物等となる次世代の光源として期待されている。固体発光素子のうち発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）は単色性の高い光源であるので、ＬＥＤを用いて白色光を得るためには少なくとも２種類以上の光を発生させて混合させる必要がある。【０００３】
従来の白色発光素子として、特許文献１には、ＹＡＧ（Yttrium aluminum garnet）蛍光体を含む透光性樹脂によって青色ＬＥＤを封止した素子が開示されている。図４は、特許文献１に開示されている従来の白色発光素子の断面図である。図４に示すように、白色発光素子１００においては、基板１０４上にマウント部材１０８を介して青色ＬＥＤ１０３が搭載されている。青色ＬＥＤ１０３の各電極は、ワイヤ１０７を通じて、基板１０４上に設けられたリード電極１０５及び１０６に電気的に接続されている。青色ＬＥＤ１０３及びワイヤ１０７は、ＹＡＧ蛍光体１０２を含む透光性樹脂１０１によって基板１０４上に封止されている。【０００４】
図４に示す白色発光素子１００において、ＹＡＧ蛍光体１０２は青色ＬＥＤ１０３から発した光を一部吸収して黄色波長帯の蛍光を発する。この２種類の光が混合されて、白色発光素子１００からは、視覚的に白色の光が出射される。【０００５】
しかしながら、従来の白色発光素子１００においては、蛍光体の発光効率が低いという問題、及び、２色の光源を用いているために純粋な白色光が得られず演色性が悪いという問題がある。【０００６】
それに対して、近年の微細加工技術の進展に伴い、粒子径が微小なナノ蛍光体を作製することができるようになってきた。ナノ蛍光体のサイズは光の波長に比べて小さいため、ナノ蛍光体を用いることにより、一般的な蛍光体と比べて光の散乱を抑制して発光効率を向上させることが期待できる。また、赤色、緑色及び青色の３原色にそれぞれ発光波長が制御された３種類のナノ蛍光体を用いることによって、演色性が良い白色光を得ることができる。例えば特許文献２に、ナノ粒子を波長変換材料に用いた光放出光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２２３７５０号公報
【特許文献２】特表２００８−５４６８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ナノ蛍光体の粒子径が小さいことに起因して、ナノ蛍光体の表面欠陥の割合（単位体積当たりの表面欠陥数）は、バルク蛍光体と比べて大きくなってしまう。この表面欠陥は、非放射遷移の原因となり、発光効率の低下を招く。尚、ナノ蛍光体の表面を修飾して欠陥を修復すると、発光効率を向上させることができるものの、素子作製プロセスが複雑になって低コスト化が困難になるという別の問題が生じる。【０００９】
前記に鑑み、本発明は、発光効率が高い白色発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る発光素子は、電圧の印加により光を発する活性層を有する発光部と、前記発光部上における前記光の照射領域に配置された金属薄膜とを備え、前記金属薄膜には、前記光の波長よりも小さい径を持つ複数の開口部が設けられており、前記複数の開口部のそれぞれに少なくとも１つの蛍光体が配置されている。【００１１】
本発明に係る発光素子によると、活性層が発する光と、当該光により励起された蛍光体が発する光とを混合して白色光を出射することができる。このとき、活性層から発した光が金属薄膜において表面プラズモンを生成するため、当該表面プラズモンにより増強された電場が得られるので、金属薄膜の開口部に配置された蛍光体が強く励起されて高輝度で発光する。従って、発光効率が高い白色発光素子を実現することができる。【００１２】
本発明に係る発光素子において、前記蛍光体は、１００ｎｍ以下の寸法を持つ粒子であってもよい。このようにすると、蛍光体による光散乱を抑制することができるので、光取り出し効率を向上させることができる。【００１３】
本発明に係る発光素子において、前記複数の開口部のそれぞれは、５０ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下の径を持っていてもよい。このようにすると、前述の表面プラズモンを効率よく生成することができる。【００１４】
本発明に係る発光素子において、前記蛍光体として、青色、緑色及び赤色のそれぞれの波長領域で発光する３種類の蛍光体が用いられていてもよい。このようにすると、３原色の蛍光を利用できるため、演色性のよい白色光を得ることができる。この場合、前記活性層が発する前記光の波長をλact とし、前記青色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ1 とし、前記緑色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ2 とし、前記赤色の波長領域で発光する前記蛍光体の発光波長をλ3 としたときに、λact ＜λ1 、λact ＜λ2 、λact ＜λ3 であってもよい。このようにすると、活性層が発生する光によって蛍光体が効率よく励起される。【００１５】
本発明に係る発光素子において、前記蛍光体は量子ドットから構成されていてもよい。このようにすると、半値幅の小さい蛍光を得ることができる。この場合、前記量子ドットは、１ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下の寸法を持っていてもよい。このようにすると、可視光波長を持つ蛍光を得ることができる。【００１６】
本発明に係る発光素子において、前記発光部は面発光型レーザであり、前記金属薄膜は前記面発光型レーザ上に形成されており、前記面発光型レーザが発生するレーザ光により前記蛍光体が励起されてもよい。このようにすると、発光部から蛍光体までの間における導波損失や結合損失等を小さくすることができると共に、素子作製プロセスを簡易化して低コスト化を図ることができる。【００１７】
本発明に係る発光素子において、前記発光部は発光ダイオードであり、前記金属薄膜は前記発光ダイオード上に形成されており、前記発光ダイオードが発生する光により前記蛍光体が励起されてもよい。このようにすると、発光部から蛍光体までの間における導波損失や結合損失等を小さくすることができると共に、素子作製プロセスを簡易化して低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、発光効率が高い白色発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係る発光素子の平面図及び断面図である。
【図２】図２は、実施形態に係る発光素子における蛍光体での電子及び正孔の再結合過程を模式的に示した図である。
【図３】図３は、図２に示した再結合過程における遷移確率の励起強度依存性を示した図である。
【図４】図４は、従来の白色発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る発光素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る発光素子、具体的には、発光ダイオードや面発光型レーザ等から出射される光が蛍光体を励起して発光させることにより、異なる光が混合されて白色光として出射される白色発光素子の平面図及び断面図である。
【００２２】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の白色発光素子１０は、例えばＡｌＧａＩｎＮ系面発光型レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）等の発光部１４と、発光部１４上における少なくとも光の照射領域に配置され且つ例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等からなる金属薄膜１１とを備えている。金属薄膜１１には、前記光の波長（つまり発光部１４の発振波長）よりも小さい径を持つ複数の微小開口部１２が周期的に設けられている。具体的には、発光部１４の発振波長が例えば４０５ｎｍである場合、微小開口部１２の配置周期を２５５ｎｍに設定することによって、１次のグレーティング結合により表面プラズモンの励起が可能となり、また、微小開口部１２の配置周期を５１５ｎｍに設定することによって、２次のグレーティング結合により表面プラズモンの励起が可能となる。また、各微小開口部１２には複数の蛍光体１３、具体的には、発光波長が青色、緑色及び赤色の３種類の量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃが配置されている。これにより、３原色の蛍光を利用できるため、演色性のよい白色光を得ることができる。ここで、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの発光波長と比較して、発光部１４の発振波長は短く設定されているため、発光部１４が発生する光によって蛍光体１３が効率よく励起される。
【００２３】
尚、発光部１４は、電圧の印加により光を発する活性層１７と、活性層１７上に形成されたｎ型スペーサ層１８と、ｎ型スペーサ層１８の周縁部を除く部分の上に形成された上部ＤＢＲ（Distributed Feedback Reflector）２０と、ｎ型スペーサ層１８の周縁部の上に形成されたｎ側電極１５と、活性層１７下に形成されたｐ型スペーサ層１９と、ｐ型スペーサ層１９の周縁部を除く部分の下に形成された下部ＤＢＲ２１と、ｐ型スペーサ層１９の周縁部の下に形成されたｐ側電極１６とを備えている。
【００２４】
また、金属薄膜１１の厚さは、例えば１００ｎｍ程度であってもよい。このようにすると、表面プラズモンを効率良く生成することができると共に、蛍光体１３が発生する光を効率良く取り出すことができる。尚、金属薄膜１１の厚さは５０ｎｍ程度以上で且つ５００ｎｍ程度以下であることが好ましい。なぜならば、金属薄膜１１の厚さが５０ｎｍ程度未満であると、金属薄膜１１を光が透過してしまい、表面プラズモンの生成効率が悪くなる一方、金属薄膜１１の厚さが５００ｎｍ程度より大きいと、蛍光体１３が発生する光の取り出し効率が悪くなるからである。
【００２５】
また、微小開口部１２の平面視での形状は、例えば図１（ａ）に示すように、円形であってもよいし、それに限らず、例えば楕円形又は方形等であってもよい。円形のような等方的な開口形状を用いた場合には、等方的な発光を得ることができる一方、楕円形や方形等のような異方的な開口形状を用いた場合には、発光の偏光制御が可能となる。
【００２６】
また、微小開口部１２の径は、発光部１４の発振波長よりも小さければ特に限定されないが、微小開口部１２が、５０ｎｍ程度以上で且つ２００ｎｍ程度以下の径を持つと、金属薄膜１１において表面プラズモンを効率よく生成することができる。尚、「微小開口部１２の径」とは、「微小開口部１２の最大寸法」を意味する。すなわち、微小開口部１２の平面視での形状が真円形の場合には「直径」を意味し、楕円形の場合には「長軸の長さ」を意味し、方形の場合には「対角線の長さ」を意味する。
【００２７】
また、蛍光体１３の寸法は、微小開口部１２の径よりも小さければ特に限定されないが、蛍光体１３が、１００ｎｍ程度以下の寸法を持つ粒子であると、蛍光体１３による光散乱を抑制することができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態のように、蛍光体１３として、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを用いると、半値幅の小さい蛍光を得ることができる。ここで、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃが、１ｎｍ程度以上で且つ２０ｎｍ程度以下の寸法を持つと、可視光波長を持つ蛍光を得ることができる。尚、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの材料として、例えばＣｄＳｅ（カドミウムセレン）を用いることができる。また、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを水や有機溶剤などの溶剤中に分散させた懸濁液を用意して、当該懸濁液を、例えばディスペンサやスピンコーティングなどの方法によって金属薄膜１１上に塗布することによって、量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを微小開口部１２中に配置することができる。
【００２９】
本実施形態の白色発光素子１０においては、発光部（ＡｌＧａＩｎＮ系ＶＣＳＥＬ）１４に電圧を印加して電流を流すと、活性層１７で発光が生じると共に、活性層１７の上下に形成されたＤＢＲ１７及び１８が共振器となってレーザ発振が生じる。白色発光素子１０が発したレーザ光は、金属薄膜１１に形成された微小開口部１２の周期性を介して表面プラズモンを生成する。当該表面プラズモンにより増強された電場が得られるので、金属薄膜１１の微小開口部１２に配置された蛍光体１３（量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ）が強く励起されて、青色、緑色及び赤色で高輝度の発光を生じる。これにより、発光効率が高い白色発光素子を実現することができる。
【００３０】
図２は、蛍光体１３での電子及び正孔の再結合過程を模式的に示した図である。図２に示すように、価電子帯から伝導帯に励起された電子は、価電子帯の正孔と再結合して光を放射する（発光遷移（放射遷移））。一方、図２に示すように、伝導帯の電子が表面トラップ準位を介して価電子帯の正孔と再結合する過程は光放射に寄与しない（非発光遷移（非放射遷移））。
【００３１】
図３は、図２に示した再結合過程における遷移確率の励起強度依存性を示した図である。図３に示すように、励起強度の増加に伴い、発光遷移の遷移確率は単調に増加するのに対して、非発光遷移の遷移確率は、表面トラップ準位の密度（蛍光体１３表面の欠陥密度）が小さいことに起因して飽和してしまう。すなわち、励起強度の増加に伴い、再結合過程における非発光遷移の割合が減少する。従って、蛍光体１３を強く励起することにより、高効率で発光させることができる。
【００３２】
以上に説明したように、本実施形態の白色発光素子１０では、発光部（ＡｌＧａＩｎＮ系ＶＣＳＥＬ）１４から発生したレーザ光が、金属薄膜１１の微小開口部１２近傍で表面プラズモンを生成する結果、局所的に強い電場が得られる。この増強された局所電場は、蛍光体１３を強く励起するため、前述のように、非発光再結合の割合が減少して発光の高効率化が可能となるので、高輝度の蛍光を得ることができる。
【００３３】
特に、本実施形態では、蛍光体１３として、粒径が金属薄膜１１の微小開口部１２の径よりも小さいナノ蛍光体（量子ドット蛍光体１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ）を用いているため、蛍光体１３を微小開口部１２の内部に確実に配置することができる。このように蛍光体１３を微小開口部１２の内部に配置することができると、金属薄膜１１の表面側（発光部１４の反対側）に生じる電場に加えて、金属薄膜１１の裏面側（発光部１４側）及び微小開口部１２の内部にそれぞれ生じる電場によって、蛍光体１３を励起することができる。また、微小開口部１２の内部では発光部１４に近くなるほど表面プラズモンの電場強度が強くなるため、発光部１４の近くに位置する蛍光体１３ほど高効率で発光させることができる。
【００３４】
尚、本実施形態では、電気を光に変換する発光部１４がＡｌＧａＩｎＮ系面発光型レーザである場合について説明したが、発光部１４の種類は、蛍光体を励起できる光源であれば、特に限定されるものではない。例えば、青色から紫外線領域までの波長帯で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。
【００３５】
また、本実施形態では、蛍光体１３として、ＣｄＳｅ材料からなる量子ドット蛍光体を用いたが、これに代えて、例えばＣｄＴｅ（カドミウムテルル）又はＣｄＳ（カドミウム硫黄）などの材料からなる量子ドット蛍光体を用いた場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。また、蛍光体１３として、量子ドット蛍光体に限らず、例えばＹＡＧ蛍光体、又は有機材料からなる蛍光体等を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、発光効率が高い白色発光素子を実現できるものであり、本発明に係る白色発光素子は、照明やディスプレイなどの用途に好適である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    白色発光素子
１１    金属薄膜
１２    微小開口部
１３    蛍光体
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ    量子ドット蛍光体
１４    発光部
１５    ｎ側電極
１６    ｐ側電極
１７    活性層
１８    ｎ型スペーサ層
１９    ｐ型スペーサ層
２０    上部ＤＢＲ
２１    下部ＤＢＲ
【図１】
2012131793.tif 000003
【図２】
2012131793.tif 000004
【図３】
2012131793.tif 000005
【図４】
2012131793.tif 000006
【国際調査報告】
2012131793.tif 000007
2012131793.tif 000008
2012131793.tif 000009
2012131793.tif 000010