(57)【要約】【課題】  均一な色バランスの設定が容易であり、発光のむらを解消した、高輝度の発光ダイオード装置を提供する。【解決手段】  複数の蛍光体から放出された光を混色させる発光ダイオード装置が、一次光を発する発光ダイオード素子と、一次光を吸収して二次光を放出する、複数の蛍光体層を含む波長変換部とを含み、波長変換部が、発光ダイオードが発した一次光が最初に入射する第１蛍光体層と、第１蛍光体層を透過した一次光が入射する第２蛍光体層とを含む。第２蛍光体層の蛍光体が有するバンドギャップエネルギは、第１蛍光体層から放出される二次光のピーク波長のエネルギより大きい。【選択図】  図１
2006261554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蛍光体から放出された光を混色させる発光ダイオード装置であって、
一次光を発する発光ダイオード素子と、
該一次光を吸収して二次光を放出する、複数の蛍光体層を含む波長変換部とを含み、
該波長変換部が、該発光ダイオードが発した該一次光が最初に入射する第１蛍光体層と、該第１蛍光体層を透過した該一次光が入射する第２蛍光体層とを含み、
該第２蛍光体層の蛍光体が有するバンドギャップエネルギが、該第１蛍光体層から放出される二次光のピーク波長のエネルギより大きいことを特徴とする発光ダイオード装置。
【請求項２】
上記第１蛍光体層と上記第２蛍光体層との膜厚が略等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
【請求項３】
上記第１蛍光体層と上記第２蛍光体層との膜厚を異ならせて、該第１蛍光体層と該第２蛍光体層のそれぞれに吸収される一次光の量を調整したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
【請求項４】
上記第１蛍光体層と上記第２蛍光体層とに含まれる蛍光体の粒子径が略均一であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
【請求項５】
上記第１蛍光体層に含まれる蛍光体の平均粒子径が、上記第２蛍光体層に含まれる蛍光体の平均粒子径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
【請求項６】
上記第１蛍光体層に含まれる粒状の蛍光体と、上記第２蛍光体層に含まれる粒状の蛍光体の平均粒子径が、略１０ｎｍ〜略１００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４又は５に記載の発光ダイオード装置。
【請求項７】
上記第１蛍光体層に含まれる蛍光体の密度が、上記第２蛍光体層に含まれる蛍光体の密度より高いことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
【請求項８】
上記第１蛍光体層が赤色蛍光体層からなり、上記第２蛍光体層が緑色蛍光体層からなり、更に、該第２蛍光体層を挟んで該第１蛍光体層と反対側に、第３蛍光体層である青色蛍光体層を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光ダイオード装置。
【請求項９】
上記赤色蛍光体から二次光として赤色光が放出され、上記緑色蛍光体から二次光として緑色光が放出され、上記青色蛍光体から二次光として青色光が放出されることを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード装置。
【請求項１０】
上記発光ダイオード素子から放出される一次光の波長が、略２５０ｎｍ〜略３６５ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光ダイオード装置。
【請求項１１】
上記蛍光体が、ナノ結晶であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光ダイオード装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード装置に関し、特に発光ダイオード素子と２種類以上の蛍光体とを備えた発光ダイオード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低消費電力、小型、かつ高輝度が期待される次世代の発光ダイオード装置として、ナノ結晶の蛍光体と、その蛍光体を励起する一次光を発する光源とからなる発光ダイオード装置の開発が盛んに行われている。蛍光体にナノ結晶を用いることにより、従来の蛍光体と比較して発光効率の向上が期待されている。更に、このようなナノ結晶は、従来の蛍光体を励起するために必要とされる吸収帯幅（エネルギー幅）と比較して吸収帯幅が広いため、光源の波長幅に対する許容度が高い。そのため、光源としては半導体発光素子等を使用できる。このような発光ダイオード装置の一例を示したものに以下の特許文献１、２がある。
【０００３】
特許文献１には、図４に示すような、全体が５０で表される面実装タイプの発光ダイオード装置が開示されている。発光ダイオード装置５０では、エッチングなどにより回路配線５１ａが形成された基板５１上に青色発光ダイオードチップ５２がダイボンドされ、この青色発光ダイオードチップ５２からは金線により回路配線５１ａに配線が行われている。また、基板５１には青色発光ダイオードチップ５２を取囲むように略コーン状の凹部５３ａが設けられたレンズホルダ５３が取付けられている。凹部５３ａにはＹＡＧ蛍光体５４ａが混和されたエポキシ樹脂など透明樹脂が、ポッティングモールドなどの手段で注入され、熱硬化されてレンズ５４が形成されている。
発光ダイオード装置５０では、青色発光ダイオードチップ５２を点灯させることで、波長が４３０〜４８０ｎｍ付近の出射光により、（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ組成から成るＹＡＧ蛍光体５４ａが励起されて波長が５７０ｎｍ付近の黄色光を発光し、最終的に合成色として白色光（図３のスペクトル曲線Ｂを参照）が得られる。
【０００４】
また、特許文献２では、ナノ結晶からなる青色蛍光体を混在させた白色蛍光体を有する波長変換部と、その波長変換部を励起する光源とからなる発光ダイオード装置が開示されている。
【特許文献１】特許第３４２８５９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す発光ダイオード装置５０では、４６５ｎｍと５６０ｎｍ付近の波長にピークを生じ、視感的には白色光が得られるが、そのスペクトル分布を検証すると、赤色領域である６２０ｎｍ以上の出力は相対的に弱いものとなっている。
このことは、発光ダイオード装置５０を、例えばカラー液晶表示器のバックライト光源等の照明として使用する場合、赤が暗くなりがちで演色性に劣るとの問題を有することを意味する。また、レンズ５４の形成時に比重の重い蛍光体５４ａの沈殿を生じやすく、点灯時に色ムラを生じるという問題や、青色発光ダイオードチップ５２からの紫外線によりレンズ５４が比較的短時間で黄変するという問題も有する。
【０００６】
一方、特許文献２に記載の発光ダイオード装置では、赤色、緑色、青色蛍光体を混在させて白色光を発しているので、均一な白色光を得るためには波長変換部となる領域全面に均一に赤色、緑色、青色蛍光体を混在させなければならず、製造が非常に困難であるという問題を有する。また、青色蛍光体の上に緑色或いは赤色蛍光体が形成されると、青色蛍光体から発光された青色光は緑色或いは赤色蛍光体に吸収され、緑色光或いは赤色光が発光される。同様に、緑色蛍光体の上に赤色蛍光体が形成されると、緑色蛍光体から発光された緑色光は赤色蛍光体に吸収され、赤色光が発光される。この結果、発光ダイオード装置の色バランスは設定した色からずれてしまい、設定色に対する輝度が低下するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、色バランスの設定が容易であり、かつ、高輝度で発光むらを解消した発光ダイオード装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、本発明は、複数の蛍光体から放出された光を混色させる発光ダイオード装置であって、一次光を発する発光ダイオード素子と、一次光を吸収して二次光を放出する、複数の蛍光体層を含む波長変換部とを含み、波長変換部が、発光ダイオードが発した一次光が最初に入射する第１蛍光体層と、第１蛍光体層を透過した一次光が入射する第２蛍光体層とを含み、第２蛍光体層の蛍光体が有するバンドギャップエネルギが、第１蛍光体層から放出される二次光のピーク波長のエネルギより大きいことを特徴とする発光ダイオード装置である。
【発明の効果】
【０００９】
このように、本発明によれば、第１蛍光体層から放出された二次光が第２蛍光体層に吸収されないため、高輝度で、偏りがなく、かつバランス調整の容易な二次光が得られる。この結果、色バランスの設定が容易で、色むらの無い、高輝度な発光ダイオード装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、全体が１０で表される、本実施の形態にかかる発光ダイオード装置の断面図である。発光ダイオード装置１０は、例えばシリコンからなる半導体基板１を含む。半導体基板１の上には、発光ダイオード素子２と、発光ダイオード素子２を囲むように略コーン状の凹部４が設けられたレンズホルダ３が取付けられている。レンズホルダ３内には、波長変換部８とレンズ部９が設けられている。レンズ部９は、例えばエポキシ樹脂からなる。波長変換部８は、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７からなり、発光ダイオード素子２から出射された一次光の少なくとも一部を吸収して、一次光のピーク波長よりも長いピーク波長を有する二次光を発する。
【００１１】
発光ダイオード素子２としては、例えば、４６５ｎｍにピーク波長を有するＧａＮ系発光ダイオード、ＺｎＯ系発光ダイオード、ダイヤモンド系発光ダイオード等が用いられる。
また、蛍光体５〜７には、ＩｎＮ系のナノ結晶を用いることができる。ＩｎＮはバルク構造では２．０５ｅＶのバンドギャップを有しているという説と０．６〜０．８ｅＶのバンドギャップを有しているという説があるが、その何れにおいても、粒子径を小さく（ナノ結晶化）していくと、量子効果によってバンドギャップを青色から赤色の範囲で制御することができる。
【００１２】
なお、ここで「ナノ結晶」とは、結晶サイズを励起子ボーア半径程度まで小さくすることにより、量子サイズ効果による励起子の閉じこめやバンドギャップの増大が観測される結晶をいうものとする。具体的には、バンドギャップの小さな材料からなる球状部を、バンドギャップの大きな材料からなる被覆部で覆った構造となっている。
【００１３】
波長変換部８は、赤色発光する粒径を有し、最も粒径の大きいＩｎＮ系ナノ結晶である赤色蛍光体５と、緑色発光する粒子径を有し、中間の粒子径のＩｎＮ系ナノ結晶である緑色蛍光体６と、青色発光する粒径を有し、最も粒径の小さいＩｎＮ系ナノ結晶である青色蛍光体７とが、アクリル樹脂中に積層されたものである。
これらの蛍光体５〜７は、光源である発光ダイオード素子２に近い順に、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７と積層されている。蛍光体５〜７の材料としては、ＩｎＮの他、Ｓｉ、Ｚｎ１−ｘＣｄｘＳｅ等、バルクで青色から近紫外領域に少なくとも吸収帯があるような材料を用いることができる。
【００１４】
このような粒径の異なる蛍光体５〜７は、化学合成法やイオン注入法等により作製することができる。なお、波長変換部８は、蛍光体５〜７を直接積み上げたもの、蛍光体５〜７を直接積み上げたものをシリコン樹脂等で埋め込んだもの、又は蛍光体５〜７をシリコン樹脂だけでなく他の有機物や無機物に埋め込んだもの等から形成することができる。
【００１５】
発光ダイオード装置１０では、凹部４内に波長変換部８が混和され、エポキシ樹脂など透明樹脂がポッティングモールドなどの手段で注入され、熱硬化が行われてレンズ部９が形成される。
【００１６】
上述のように、蛍光体５〜７は、光源である発光ダイオード素子２に近い順（光路順）に、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７と積層されている。即ち、二次光のピーク波長の長い方から順に蛍光体５〜７が積層されている。このように、各蛍光体を層状に積層することにより、色むらの発生を防止できる。
この場合、粒径の異なるナノ結晶を、光路順に、粒径の大きい蛍光体から小さくなる順に積層することにより、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７の順に積層することができる。
【００１７】
複数の蛍光体を用いて、それぞれ一種の蛍光体を含む色変換薄膜層が積層された色変換多重層を構成する場合、それぞれの蛍光体の紫外光透過率を考慮し、各層中における蛍光体の紫外光透過率は、基板１側（発光ダイオード素子２側）である下層から上層に向かって高くなることが好ましい。
【００１８】
また、各層中における蛍光体の平均粒径は、基板１側（発光ダイオード素子２側）である下層から上層に向かって小さくなることが好ましい。これにより、最上層の蛍光体まで効率的に紫外線を照射でき、さらに装置外部へ紫外線が漏れるのを防止できる。
例えば、赤色蛍光体５、青色蛍光体６、緑色蛍光体７を使用する場合、基板１側から赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、そして青色蛍光体７の順に積層することが好ましく、各蛍光物質の中心粒径は、赤色蛍光体＞緑色蛍光体＞青色蛍光体という関係になるのが好ましい。
【００１９】
また、各層中における蛍光体の密度は、基板１側（発光ダイオード素子２側）である下層から上層に向かって低くなることが好ましい。これにより、最上層の蛍光体まで効率的に紫外線を照射でき、さらに装置外部へ紫外線が漏れるのを防止できる。
【００２０】
また、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７の各層の膜厚は同一でも良いが、膜厚を異なるようにして、各蛍光体に吸収される一次光の量を調整しても良い。
【００２１】
図１では、基板１側から、赤色蛍光体５の層、緑色蛍光体６の層、そして青色蛍光体７の層の各層を積層するため、蛍光体５〜７の粒径は、下層側（半導体チップ２側）から上層側に向かって順に小さくなる。
【００２２】
蛍光体５〜７は、それぞれの有するバンドギャップより大きなエネルギを有した光を全て吸収し、バンドギャップに相当する波長の二次光を発色する。図２はかかる発光工程を示した模式図である。
【００２３】
図２に示すように、蛍光体５〜７からなる波長変換部８に入射した一次光（励起光）は、バンドギャップＥｇ１の大きな蛍光体、バンドギャップＥｇ２の小さな蛍光体の双方に入射し、これらを励起する。最終的に、各蛍光体５〜７から放射された二次光が混色することによって、所定の発色を生じる。
【００２４】
図２の模式図では、バンドギャップＥｇ１の大きな蛍光体（例えば青色）が励起されて二次光を発光すると、かかる二次光は、バンドギャップＥｇ２の小さな蛍光体（例えば赤色）に再吸収されてしまう。この結果、バンドギャップＥｇ１の大きな蛍光体（例えば青色）からの発色が少なくなり、発光ダイオード装置全体として、所望の発色が得られなくなる。
【００２５】
これに対して、本実施の形態にかかる発光ダイオード装置１０では、図１に示すように、光源である発光ダイオード素子２に近い方から、赤色蛍光体５、緑色蛍光体６、青色蛍光体７の順に積層されている。
かかる構造では、発光ダイオード素子２から出射された励起光（一次光）の一部が、まず赤色蛍光体５に吸収されて赤色光（二次光）が放射される。
次に、励起光の残りの成分が緑色蛍光体６に吸収されて緑色光（二次光）が放射される。このとき、赤色光（二次光）のエネルギは緑色蛍光体６のバンドギャップのエネルギより小さいので、緑色蛍光体６に吸収されることなく透過する。
更に、励起光の残りの成分が青色蛍光体７に吸収されて青色光（二次光）が放射される。このとき、赤色光（二次光）或いは緑色光（二次光）のエネルギは、青色蛍光体７のバンドギャップのエネルギより小さいので、青色蛍光体７に吸収されることなく透過する。
最終的に、これらの蛍光体から放射された各二次光が混色することによって、白色光が発せられる。
【００２６】
このように、本実施の形態にかかる発光ダイオード装置１０では、発光ダイオード素子２に近い方から順に、バンドギャップが小さくなるように蛍光体５〜７を積層することにより、各蛍光体５〜７から発光した二次光は他の蛍光体に再吸収されることがなく、設定した色バランスを容易に得ることができ、かつ設定色の輝度が高い照明装置を得ることができる。また、色バランスの設定は、各蛍光体５〜７の膜厚や密度を変えるだけで容易にかつ独立に制御することができる。
【００２７】
図３は、発光ダイオード装置から発せられる白色光のスペクトルであり、横軸が波長、縦軸が相対強度を示す。図３中、Ａは、本実施の形態にかかる発光ダイオード装置１０（図１）の発光スペクトルであり、Ｂは、従来の発光ダイオード装置（図４）の発光スペクトルである。
【００２８】
本実施の形態にかかる発光ダイオード装置１０では、長波長側において二次光の再吸収が防止されるため、特に、波長が６００ｎｍよりも長波長の領域において、従来よりも発光強度が相対的に高くなっている。また、発光ダイオード装置１０では、波長変換部８に対して、ＣｅとＰｒの二種類のドープ剤を有するＹＡＧ蛍光体をドープした（ダブルドープ）ため、波長６２０ｎｍ付近に新しいピークが出現している。
この結果、本実施の形態にかかる発光ダイオード装置１０は白色性が向上し、従来よりも照明に適した光源となる。
【００２９】
なお、図３において、波長４６５ｎｍは青色光、波長５６０ｎｍは緑色光、波長６２０ｎｍは赤色光にそれぞれ相当する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる発光ダイオード装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる蛍光体の発光メカニズムを示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる発光ダイオード装置と、従来の発光ダイオード装置との発光スペクトル特性を示すグラフである。
【図４】従来の発光ダイオード装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：基板、２：発光ダイオード素子、３：レンズホルダ、４：凹部、５：赤色蛍光体、６：緑色蛍光体、７：青色蛍光体、８：波長変換部、９：レンズ部、１０：発光ダイオード装置
【図１】
2006261554.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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