(57)【要約】【課題】  空間的な色調の均一性にも、発光効率にも優れた、白色発光装置を提供すること。【解決手段】  主発光ピーク波長を４００ｎｍ〜４４０ｎｍに有する半導体発光素子の放射光を用いて青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を励起し、これらの蛍光体の放射光を主体として組成される白色光を出力光とする白色発光装置が提供される。この白色光は、５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長を５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に有し、かつ、波長５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲のスペクトル強度が５１５ｎｍより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主発光ピーク波長を４００ｎｍ〜４４０ｎｍに有する半導体発光素子の放射光を用いて青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を励起し、これらの蛍光体の放射光を主体として組成される下記（Ａ）の白色光を、出力光とする白色発光装置。
（Ａ）５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長を５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に有し、かつ、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が５１５ｎｍより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上である、白色光。
【請求項２】
上記白色光のスペクトル曲線上において、緑色蛍光体の放射光に由来するピークと橙色蛍光体の放射光に由来するピークの分離が観察されない、請求項１に記載の白色発光装置。
【請求項３】
上記白色光のスペクトル曲線が波長５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内で上に凸であり、かつ、６５０ｎｍよりも長波長側におけるスペクトル強度が波長６００ｎｍにおけるスペクトル強度の半分未満である、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
上記半導体発光素子の主発光ピーク波長が４１０ｎｍより長波長である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項５】
上記半導体発光素子の主発光ピーク波長が４２０ｎｍより長波長である、請求項４に記載の白色発光装置。
【請求項６】
上記半導体発光素子が量子井戸構造の活性層を備えたＩｎＧａＮ系発光素子である、請求項４または５に記載の白色発光装置。
【請求項７】
更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、演色性を向上させた、請求項１〜６のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項８】
更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、色域（color gamut）を拡張させた、請求項１〜６のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項９】
更に、上記半導体発光素子の放射光で励起可能なＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を有し、該記フッ化物錯体蛍光体が放射する赤色光を上記白色光に追加することにより、色温度を低くした、請求項１〜６のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項１０】
上記青色蛍光体がＥｕ付活ハロリン酸塩蛍光体を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項１１】
上記緑色蛍光体が、Ｅｕ付活アルカリ土類ケイ酸窒化物系蛍光体およびＥｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系蛍光体から選ばれる１種以上の蛍光体を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【請求項１２】
上記橙色蛍光体が、Ｅｕ付活窒化物系蛍光体、Ｅｕ付活酸窒化物系蛍光体およびＥｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系蛍光体から選ばれる１種以上の蛍光体を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の白色発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子などの半導体発光素子と波長変換物質である蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光装置に関し、とりわけ、蛍光体として青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を用い、これらの蛍光体が放射するフォトルミネッセンス光を主体として組成される白色光を、出力光とする白色発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般式ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体で形成されたＬＥＤ構造を備える窒化物系ＬＥＤ素子が、紫外線〜緑色にわたる短波長光を発生可能な発光素子として広く用いられている。その中でも、活性層（特に、量子井戸層）をＩｎＧａＮ（上記一般式においてｘ＝０、０＜ｙ＜１）で形成したＩｎＧａＮ系ＬＥＤ素子は、特に発光効率が高いことで知られている。
【０００３】
また、窒化物系ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせた白色発光装置（白色ＬＥＤ）が実用化されている。その代表例が、ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤ素子が放射する青色光と、その青色光をＣｅ付活ＹＡＧ蛍光体で波長変換させて得られる黄色光とを混合して、白色光を生成させるタイプの白色発光装置である（特許文献１）。本明細書では、以下、このタイプの白色発光装置をＢ−Ｙ型と呼ぶことにする。
【０００４】
Ｂ−Ｙ型白色発光装置は、視感度が最大となる波長域（５５５ｎｍ付近）に出力光のスペクトルが集中しているので、［ｌｍ／Ｗ］（lumen per watt：単位電力あたりの全光束）という単位を用いて表される発光効率（luminous efficacy）が極めて高い光源、即ち、視覚上たいへん明るく感じられる光源となる。
しかし、Ｂ−Ｙ型発光装置には、空間的な色調の均一性（spatial color uniformity）が低いという欠点がある。これを簡単にいえば、放射される白色光の色調が、光源をどの方向から見るかによって異なっているということである。この現象は、青色光源であるＬＥＤチップと、黄色光源である蛍光体粉末（通常、樹脂中に分散される）との間で、放射パターンが著しく異なっていることが原因となって生じる。
【０００５】
Ｂ−Ｙ型におけるこの問題を解決するために、視感度が低い近紫外線または紫色光を放射する窒化物系ＬＥＤ素子を励起光源に用い、青、緑および赤の三原色光を蛍光体による波長変換により発生させるようにした白色発光装置も知られている（特許文献２）。本明細書では、以下、このタイプの白色発光装置をＲＧＢ型と呼ぶことにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ９８／０５０７８号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２４９６９４号公報
【特許文献３】米国特許第３５７６７５６号公報
【特許文献４】米国特許第２００６／０１６９９９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】E.FRED SCHUBERT：LIGHT-EMITTING DIODES、CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS、2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｂ−Ｙ型とＲＧＢ型の白色発光装置を比較すると、空間的な色調の均一性ではＲＧＢ型が優れているが、発光効率に関してはＢ−Ｙ型が圧倒的に有利である、というのが当業界における一般的な認識である。なぜなら、蛍光体による波長変換により生成させる光が、Ｂ−Ｙ型発光装置では黄色光のみであるのに対し、ＲＧＢ型発光装置では三原色光の全てであるからである。つまり、ＲＧＢ型ではＢ−Ｙ型よりも波長変換に伴う損失が大きくなるからである。この損失にはストークス・シフト（Stokes shift）も含まれる。
従って、Ｂ−Ｙ型とＲＧＢ型の両者の利点を兼ね備えた白色発光装置、すなわち、空間的な色調の均一性に優れると同時に、発光効率にも優れた白色発光装置が、望まれている。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間的な色調の均一性にも、発光効率にも優れた、白色発光装置を提供することを、その主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ＲＧＢ型の白色発光装置の方が、Ｂ−Ｙ型よりも、波長変換により発生させる色の数が多いことは事実である。他方で、近紫外〜青色波長の光で励起可能な蛍光体には、青色よりも短波長側でより高い励起効率を示すものが多いということも、事実である。また、Ｂ−Ｙ型白色発光装置が有する前述の欠点は、半導体発光素子の放射光を拡散剤などの手段を用いて拡散させることにより軽減し得るが、この方法には、半導体発光素子の取出効率の低下が不可避的に付随する。
更にいえば、ストークス・シフトが白色発光装置の効率に支配的な影響を及ぼすのは、蛍光体の効率を低下させる他の主な要因の殆どが取り除かれた場合に限られるところ、現実には、蛍光体の外部量子効率は１００％に達しておらず、また、発光装置レベルでの光取出効率にも改善の余地は大きく残されている。
従って、ＲＧＢ型の白色発光装置が発光効率の点でＢ−Ｙ型と競合し得ないと結論することは早計である。
本発明は、このような考察に基づきなされた研究の結果、完成されたものである。
上記目的を達成するために、本発明の白色発光装置は下記構成を採用するものである。
【００１１】
主発光ピーク波長を４００ｎｍ〜４４０ｎｍに有する半導体発光素子の放射光を用いて青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体を励起し、これらの蛍光体の放射光を主体として組成される下記（Ａ）の白色光を、出力光とする白色発光装置。
（Ａ）５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長を５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に有し、かつ、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が５１５ｎｍより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上である、白色光。
【００１２】
本発明に係る上記白色発光装置において、半導体発光素子の主発光ピーク波長に４００ｎｍという下限を設ける理由は、ストークス・シフトを小さくするためである。たとえ、励起光の波長を短くした方が蛍光体の励起効率が高くなる場合ですら、ストークス・シフトの存在によって、励起光の短波長化に必然的に伴う半導体発光素子の消費電力増に見合うだけの、発光効率の増加が期待できない場合がある。ストークス・シフトをより小さいものとするために、半導体発光素子の主発光ピーク波長は、好ましくは４１０ｎｍ以上であり、より好ましくは４２０ｎｍ以上である。
【００１３】
特に、ＩｎＧａＮ系発光素子の場合には、活性層に量子井戸構造を採用することにより発光スペクトルの半値幅を２５ｎｍ以下に抑えることができるので、主発光ピーク波長を４１０ｎｍ以上とすれば、放射光に含まれる波長４００ｎｍ未満の紫外線成分をゼロに近づけることができる。半導体発光素子からの紫外線の発生量を抑えることにより、当該白色発光装置の部材として紫外線劣化耐性の低い樹脂材料を用いることが可能となる。
【００１４】
本発明に係る上記白色発光装置において、半導体発光素子の主発光ピーク波長に４４０ｎｍという上限を設けている理由は、半導体発光素子の放射光に含まれる、視感度の高い青色成分を少なくするためである。それによって、半導体発光素子の放射光が発光装置の出力光の色調に与える影響を小さくすることができ、ひいては、発光装置の空間的な色調均一性を高めることができる。
【００１５】
上記の如く、ＩｎＧａＮ系発光素子では活性層に量子井戸構造を採用することにより発光スペクトルの半値幅を２５ｎｍ以下に抑えることができるので、主発光ピーク波長を４４０ｎｍ以下としたとき、放射光に含まれる波長４６０ｎｍ以上の成分をゼロに近づけることができる。明所視の視感度曲線（ＣＩＥ  １９７８）は波長４６０ｎｍで立ち上がるため、波長４６０ｎｍ未満の紫色光と波長４６０ｎｍ以上の青色光とでは、前者の方が後者よりも、発光装置の出力光の色調に与える影響ははるかに小さい。
【００１６】
本発明に係る上記白色発光装置では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体がそれぞれ放射する青色光、緑色光および橙色光を主体として上記（Ａ）の白色光を組成し、この白色光を出力光とする。ここでいう光の色（青、緑、橙、白）は、ＣＩＥ色度図上における色の割り当てに従って定義される色である。この割り当てについては、非特許文献１の２９６頁のＦｉｇ．１７．４（1931 CIE chromaticity diagram with areas attributed to distinct colors (after Gage et al., 1977)）を参照すればよい。なお、本明細書においては、蛍光体の呼称を、その蛍光体が放射する光の色に基づき定めている。例を挙げれば、青色光を放射する蛍光体を青色蛍光体と呼び、緑色光を放射する蛍光体を緑色蛍光体と呼び、橙色光を放射する蛍光体を橙色蛍光体と呼んでいる。
【００１７】
波長変換に伴う損失を低減するために、使用する青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体には、いずれも、半導体発光素子の放射光による励起が可能なものが選択される。従来技術において、半導体発光素子の放射光により青色蛍光体を励起し、その青色蛍光体の放射光のみを用いて黄色蛍光体を励起する方式の白色発光装置が提案されたことがあるが、この従来方式では黄色光の生成の過程で波長変換ロスが二重に発生していた。
【００１８】
本発明に係る上記白色発光装置は、蛍光体の放射光を主体として組成される白色光を出力光とするので、従来のＲＧＢ型白色発光装置の場合と同様の理由から、空間的な色調の均一性が高い。よって、半導体発光素子の放射光を拡散させるための構成（光拡散剤など）を省略または削減することができる。かかる構成の採用は、半導体発光素子の光の取出効率を低下させるので好ましくない。
【００１９】
本発明に係る上記白色発光装置では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光に関して、５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長が、５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に存することを要件としている。この要件は、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルを、(i)視感
度が最大である波長域か、もしくは、(ii)黄色波長域に、集中させることを意図している。なお、５１５ｎｍという波長は、緑色波長域（当該領域内の波長を有する単色光が緑色を呈する波長域）の下限波長である。
【００２０】
明所視に関するＣＩＥ視感度曲線によれば、波長５５５ｎｍでの視感度を１とすると、波長５３５ｎｍ〜５７５ｎｍの範囲で視感度は０．９以上となる。よって、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度がこの波長範囲内で最大値を取るようにするということは、発光装置に投入するエネルギーを、これら２つの蛍光体を通して、視覚上最も明るく見える光の生成に集中させることを意味する。
【００２１】
一方、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度が黄色波長域で最大値を取るようにしたときは、発光装置への投入エネルギーが、これら２つの蛍光体および青色蛍光体を通して、最も効率よく、ＲＧＢのバランスの取れた白色光に変換される。黄色光と青色光とから白色の知覚が生じること、また、その理由が、ヒトの網膜のＭ錐体（緑錐体）とＬ錐体（赤錐体）を黄色光が刺激し、Ｓ錐体（青錐体）を青色光が刺激するからであることは、よく知られている通りである。なお、ここでいう黄色波長域とは、波長５７０ｎｍ〜６００ｎｍの領域のことである。この領域内の波長を有する単色光は黄色を呈する。
【００２２】
本発明に係る上記白色発光装置では、また、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光に関して、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の任意の波長におけるスペクトル強度が、５１５ｎｍより長波長側の領域における最大スペクトル強度の半分以上であることを要件としている。緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルが黄色波長領域内の波長成分を十分に含まないと、これら２つの蛍光体および青色蛍光体の放射光からＲＧＢのバランスの取れた光を生成させることができないからである。従って、上記白色光において、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の任意波長におけるスペクトル強度は、５１５ｎｍより長波長側の領域における最大スペクトル強度の、６０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることが更に好ましい。
【００２３】
本発明に係る上記白色発光装置の好ましい実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成される白色光のスペクトル曲線上において、緑色蛍光体の放射光に由来するピークと橙色蛍光体の放射光に由来するピークの分離が観察されない。このようなスペクトル曲線を得るには、まず、緑色蛍光体と橙色蛍光体のいずれについても、発光スペクトルにピークをひとつしか有さないものを選択する。そして、その緑色蛍光体と橙色蛍光体の発光波長を近づければよい。つまり、緑色蛍光体については発光波長が比較的長波長であるものを選択し、橙色蛍光体については発光波長が比較的短波長であるものを選択すればよい。このようなスペクトル曲線が得られるようにしたとき、発光装置に投入されるエネルギーは、緑色蛍光体および橙色蛍光体を通して、より効率的に、視感度が最大である波長域または黄色波長域の光の生成に集中されることになる。
【００２４】
本発明に係る上記白色発光装置の好ましい実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成する白色光のスペクトル曲線が、波長５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内で上に凸であり、かつ、６５０ｎｍよりも長波長側の任意の波長におけるスペクトル強度が波長６００ｎｍにおけるスペクトル強度の半分未満である。更には、６５０ｎｍよりも長波長側におけるスペクトル強度は、波長６００ｎｍにおけるスペクトル強度の４０％未満であることがより好ましく、３０％未満であることが特に好ましい。スペクトル曲線に関するこれらの限定は、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルが波長５３５ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内に効率的に集中している状態を表している。
【００２５】
本発明に係る上記白色発光装置に対して、更に、赤色蛍光体であるＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を組み合わせることにより、発光効率の大幅な低下を伴うことなく、演色性を向上させたり、色域（color gamut）を拡張させたり、あるいは、色温度を低くするこ
とができる。
Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体は、発光ピーク波長を赤色波長域の中でも比較的短波長（６５０ｎｍより短波長側）に有しており、かつ、発光ピークの形状が非常に鋭い（特許文献３、特許文献４）という特徴を有している。この発光スペクトル上の特徴から分かるように、この蛍光体は吸収した励起光を視感度の低い波長領域（６５０ｎｍよりも長波長側の領域）の光に変換しないので、赤色蛍光体としては極めて高い変換効率を示す。
【００２６】
典型的なＭｎ４＋付活フルオロ錯体蛍光体は、化学式Ｍ２ＸＦ６：Ｍｎで表されるヘキサフルオロ錯体塩型のものであるが、配位中心となる金属元素に対し５個ないし７個のフッ素イオンが配位した錯イオンを含むものもある。好ましいＭｎ４＋付活フルオロ錯体蛍光体は、ヘキサフルオロケイ酸カリウムを母体とするＫ２ＳｉＦ６：Ｍｎである。Ｋ２ＳｉＦ６：ＭｎにおけるＳｉの一部（１０モル％以下）をＡｌで置換し、かつ、Ｋの一部（１０モル％以下）をＮａで置換したものも、好適に用いることができる。
【００２７】
Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を用いる場合に注意すべき点は、この蛍光体の励起スペクトルには波長４００ｎｍ付近に鋭い凹みが存在することである（特許文献３）。そのため、半導体発光素子の放射光でこの蛍光体を励起するには、主発光ピーク波長が４２０ｎｍ以上、好ましくは４３０ｎｍ以上である、半導体発光素子を用いる必要がある。ただし、より短い発光ピーク波長を有する半導体発光素子を用いた場合であっても、発光効率の点で好ましいといえないものの、青色蛍光体が放射する青色光によってＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を励起することが可能である。
【００２８】
Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を用いる実施形態では、青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光を主体として組成される、上記（Ａ）の限定を充足する白色光に加えて、Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体の放射光が、同時に出力光として放射されるように、白色発光装置を構成する。この白色光とＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体の放射光とは、それぞれのスペクトル曲線が全く異なるので、これらの光の合成スペクトル上でも区別することが可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る上記白色発光装置は、空間的な色調均一性にも、発光効率にも優れたものとなるので、照明装置用の光源やディスプレイ装置用の光源として好ましく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の模式断面図である。
【図２】ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップの模式断面図である。
【図３】実験例１にて作製した白色ＬＥＤの発光スペクトルである。
【図４】比較実験例にて作製した白色ＬＥＤの発光スペクトルである。
【図５】実験例２にて作製した白色ＬＥＤの発光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、図面を用いつつ、具体的な実施形態に即して本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る白色発光装置の模式断面図である。この図に示す白色発光装置１はＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤであり、パッケージ１０に設けられたキャビティ（カップ状部分）の底面上に、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０が接着剤（図示せず）を用いて固定されている。
【００３２】
パッケージ１０は、セラミック（アルミナ、ＡｌＮなど）、白色樹脂（白色顔料を分散させた透明樹脂）などで形成された絶縁基板１１と、二つのパッケージ電極１２と、金属または白色材料（セラミックまたは樹脂）で形成されたリフレクタ１３とから構成されている。この図では絶縁基板１１とリフレクタ１３とを別個の部材のように示しているが、これらは同一材料を用いて一体的に形成することもできる。
【００３３】
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどからなる結晶基板２１と、その上に形成された窒化物半導体膜２２とを有しており、その窒化物半導体膜２２の表面に正負の電極が形成されている。正電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Transparent Conductive Oxide）からなる透明電極２３ａと、その一部上に形成された金属製のボンディングパッド２３ｂとから構成されている。負電極も、ＴＣＯからなる透明電極２４ａと、その一部上に形成された金属製のボンディングパッド２４ｂとから構成されている。結晶基板２１の下面には金属製の反射膜２５が形成されている。
【００３４】
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の正電極および負電極のそれぞれは、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどからなるボンディングワイヤ３０により、２つのパッケージ電極１２のそれぞれに接続されている。
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０は透光性のコーティング４０により埋め込まれている。コーティング４０の内部には、いずれも粉末状である青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体が分散されている（蛍光体は図示せず）。これらの蛍光体は、コーティング４０の内部に一様に分散させることができる。コーティング４０の成形方法に関しては、モールド成形、ポッティング成形、ディッピング成形など、公知の方法から適宜選択すればよい。
【００３５】
一実施形態では、コーティング４０を多層構造として、蛍光体を含有する層と含有しない層とを設けることができる。あるいは、青色蛍光体を含有する層、緑色蛍光体を含有する層、橙色蛍光体を含有する層、３種の蛍光体のうち２種のみを含有する層など、含有する蛍光体が異なる層を種々設けることもできる。コーティングを多層構造とする場合には、層毎に成形方法を変えてもよい。
【００３６】
図２にＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の模式断面図を示す。結晶基板２１の上に形成された窒化物半導体膜２２中には、結晶基板２１側から順に、バッファ層（図示せず）、アンドープＧａＮ層２２ａ、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮコンタクト層２２ｂ、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮクラッド層２２ｃ、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とを交互に積層してなる量子井戸構造（好ましくは多重量子井戸構造）の活性層２２ｄ（内部の積層構造の図示は省略）、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層２２ｅ、Ｍｇドープされたｐ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎコンタクト層２２ｆが含まれている。これらの各層は、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、レーザ蒸着法、スパッタリング法など、公知の気相エピタキシャル成長法を用いて形成することができる。透明電極２４ａとボンディングパッド２４ｂとからなる負電極は、エッチングにより部分的に露出したｎ型コンタクト層２２ｂ上に形成されている。結晶基板２１の裏面側の反射膜２５は、窒化物半導体膜２２の形成後に、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔなどの高反射金属を材料として、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの気相成膜法により０．１μｍ〜１μｍの厚さに形成することができる。    
【００３７】
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０においては、活性層２２ｄに含まれるＩｎＧａＮ井戸層で、電子と正孔の再結合による発光が起こる。ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の発光波長は、このＩｎＧａＮ井戸層を構成するＩｎａＧａ１−ａＮ結晶のＩｎＮ混晶比ａを変化させることにより、制御することができる。発光ピーク波長を４００ｎｍ〜４４０ｎｍとするには、ＩｎＮ混晶比ａを５％〜１５％程度の範囲内に設定すればよい。
【００３８】
ＩｎＧａＮ系発光素子が高い発光効率を示す理由は、量子井戸層を構成するＩｎＧａＮ結晶中に、ＧａＮとＩｎＮの相容性（miscibility）が十分に高くないことに起因して、
ナノメートル規模でＩｎＮ混晶比が局所的に高くなった領域が存在し、その存在が発光再結合の効率を高めているためといわれる。
このような機構が存在することから、発光ピーク波長が４００ｎｍ未満〜４１０ｎｍのＩｎＧａＮ系発光素子の発光効率は、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎＮ混晶比に依存して大きく変化し、ＩｎＮ混晶比を高くする程、つまり、発光波長を長波長とする程、高くなる。
一方で、ＩｎＧａＮ結晶の結晶性はＩｎＮ混晶比が高くなるにつれて低下する。これら
の要素を総合すると、ＩｎＧａＮ系発光素子の発光効率は、発光ピーク波長が紫外と青色の中間である紫色波長であるとき、とりわけ、４１０ｎｍ〜４３０ｎｍであるときに、最大となる。
コーティング４０中に分散して用いることができる青色蛍光体の一例を下記表１に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
特に好ましい青色蛍光体としては、高い発光効率を有する、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系蛍光体およびＥｕ付活アルミン酸塩系蛍光体が挙げられる。Ｅｕ付活アルミン酸塩系蛍光体は励起光の波長が４１０ｎｍを超えると励起効率が急激に低下することから、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の発光ピーク波長が４１０ｎｍより長波長である場合には、Ｅｕ付活
ハロリン酸塩系蛍光体を用いることが好ましい。
【００４１】
コーティング４０中に分散して用いることができる緑色蛍光体の一例を下記表２に示す。この表に示す緑色蛍光体は、一般に、発光スペクトルにピークをひとつしか有さない。
【００４２】
【表２】
2011014697.tif 000004
【００４３】
コーティング４０中に分散して用いることができる橙色蛍光体の一例を下記表２に示す。この表に示す橙色蛍光体は、一般に、発光スペクトルにピークをひとつしか有さない。
【００４４】
【表３】
2011014697.tif 000005
【００４５】
上記例示した緑色蛍光体および橙色蛍光体は、いずれもＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０が放出する波長４００ｎｍ〜４４０ｎｍの紫色光により効率よく励起することができるものである。緑色蛍光体および橙色蛍光体の放射光の合成スペクトルの強度が黄色波長域（５７０ｎｍ〜６００ｎｍ）で十分に高くなるように、使用する緑色蛍光体および橙色蛍光体の種類および、各蛍光体のコーティング４０内への添加量を決定する。
【００４６】
このような緑色蛍光体および橙色蛍光体を用いる方法は、現在のところ最も効率よく紫色光から黄色波長域の光を生成させることができる方法であると考えられる。なぜなら、紫色光を直接的に黄色光に変換する高効率の黄色蛍光体は入手困難だからである。
コーティング４０のベース材料には、透明な樹脂またはガラスを用いることができる。樹脂としては、各種の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などが挙げられ、より具体的には、メタアクリル樹脂（ポリメタアクリル酸メチルなど）、スチレン樹脂（ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体など）、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルアルコール、セルロース系樹脂（エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレートなど）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などが例示される。また、ガラスとしては、リン酸系、ホウリン酸系、バナジウムホウ酸系、アルカリ珪酸系、ビスマス系などの、公知の低融点ガラスが好ましく例示される。
【００４７】
特に、照明など大出力が必要とされる用途向けの場合には、耐熱性や耐光性等を目的としてケイ素含有化合物をコーティング４０のベース材料に使用することが好ましい。
ケイ素含有化合物とは、分子中にケイ素原子を有する化合物をいい、例えば、ポリオルガノシロキサン等の有機材料（シリコーン系材料）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等の無機材料、及びホウケイ酸塩、ホスホケイ酸塩、アルカリケイ酸塩等のガラス材料を挙げることができる。中でも、透明性、接着性、ハンドリングの容易さ、機械的・熱的応力の緩和特性に優れる等の点から、シリコーン系材料が好ましい。シリコーン系材料とは、通常、シロキサン結合を主鎖とする有機重合体をいい、例えば、縮合型、付加型、ゾルゲル型、光硬化型、などのシリコーン系材料を用いることができる。
【００４８】
Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体の一部を例外とすれば、蛍光体の屈折率は通常１．５より大きいので、蛍光体の取出効率を高くするために、コーティング４０のベース材料の屈折率は１．５０より高いことが望ましい。１．５０より高い屈折率を有する樹脂材料としては、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂、ジフェニルジメチル系やフェニルメチル系のシリコーン樹脂、などが挙げられる。また、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などは、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等からなる高屈折率無機ナノ粒子を添加することによって、その屈折率を１．８程度まで高くすることができることが知られている。低融点ガラス材料は、通常、１．５０よりも高い屈折率を有している。
【００４９】
一方、ヘキサフルオロケイ酸塩、特に、ヘキサフルオロケイ酸カリウムを母体結晶とする、Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体の屈折率は、１．４０未満である。よって、このような蛍光体に限っては、励起光が蛍光体の表面で強く反射されないように、ジメチルシリコーンをベースとする低屈折率型のシリコーン樹脂など、屈折率が１．４５未満の透明材料中に分散させることが好ましい。一般的にいって、屈折率が１．４０未満のＭｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を、１．５０より高い屈折率を有する他の蛍光体と同時に用いる場合には、コーティング４０内に、Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を分散させる層と、他の蛍光体を分散させる層とを別個に設けるとともに、Ｍｎ４＋付活フッ化物錯体蛍光体を分散させる層のベース材料の屈折率を、他の蛍光体を分散させる層のベース材料の屈折率よりも低くすることが望ましい。
【００５０】
コーティング４０の内部には、必要に応じて、光拡散剤を分散させてもよい。コーティング４０のベース材料の種類に応じて、有機ポリマー（アクリル樹脂、ポリエチレンなど）、金属酸化物（酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなど）、炭酸カルシウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどからなる、公知の光拡散剤を適宜選択して使用することができる。光拡散剤の粒径は、好ましくは１μｍ〜２０μｍ、より好ましくは２μｍ〜１０μｍである。
【００５１】
ただし、光拡散剤は半導体発光素子の光の取出効率を低下させるので、必要以上の量を添加しないようにする。
コーティング４０に添加された青色蛍光体、緑色蛍光体および橙色蛍光体は、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の放射光を吸収し、それぞれ、青色光、緑色光および橙色光を放出する。緑色蛍光体の励起には、青色蛍光体が放出する光が寄与する場合がある。また、橙色蛍光体の励起には、青色蛍光体または緑色蛍光体が放出する光が寄与する場合がある。
【００５２】
コーティング４０に蛍光体粉末を高過ぎる密度で添加した場合、キャビティの底近くに位置する蛍光体粒子からの放射が、コーティング４０の表面近くに位置する蛍光体粒子により遮蔽される結果、蛍光体の取出効率が低下するという問題が生じる。この問題を防止するには、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ２０の放射光の一部が蛍光体による波長変換を受けることなくコーティング４０の外側に放出される程度に、蛍光体粉末を疎に分散させることが好ましい。そうした場合であっても、白色発光装置１では、ＬＥＤチップ２０の放射光が、視感度の低い波長の光であるために、ＬＥＤチップと蛍光体の放射パターンが異なることに起因する空間的な色調の不均一性が、顕著に現れない。
【００５３】
以上、具体的な白色発光装置の構成例に即して本発明を説明したが、本発明は例示に係る発光装置の構造により限定されるものではない。
例えば、本発明の白色発光装置は、ＬＥＤチップのパッケージング形態により限定されるものではない。本発明の白色発光装置は、砲弾型ＬＥＤやチップ・オン・ボード型ＬＥＤであり得る。
【００５４】
また、本発明の白色発光装置において、パッケージ当たりのＬＥＤチップ実装個数は任意であり、例えば、１個であってもよいし、数十個であってもよい。
また、本発明の白色発光装置は、使用する蛍光体の形態により限定されるものではない。例えば、蛍光体相を含有する発光セラミック、電気泳動法またはエアロゾル・デボジション法により蛍光体粒子を堆積させて得られる蛍光体粒子層、単結晶蛍光体薄膜、その他各種形態の蛍光体を、本発明の白色発光装置に用いることが可能である。
また、本発明の白色発光装置は、半導体発光素子と蛍光体とを、レンズ、光ファイバ、導光板などの光学素子を介して結合したものであり得る。
また、本発明は、ＺｎＯ系半導体発光素子など、酸化物系の半導体発光素子を用いた白色発光装置にも好ましく適用することができる。
【００５５】
［実験例］
（実験例１）
サファイア基板を用いて形成された３５０μｍ角、主発光ピーク波長４０７ｎｍのＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ１個を、シリコーン樹脂ベースの透明ダイボンドペーストを用いて、３５２８ＳＭＤ型ＰＰＡ樹脂パッケージのキャビティ底面上に接着した。接着後、１５０℃、２時間の加熱によりダイボンドペーストを硬化させたうえで、直径２５μｍのＡｕ線を用いてＬＥＤチップ側の電極とパッケージ側の電極とを接続した。
【００５６】
次に、シリコーン樹脂を主成分とする透明なバインダと、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系青色蛍光体であるＳｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ（略称：ＳＣＡ）と、Ｅｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系緑色蛍光体である（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ（略称：ＢＳＳ）と、Ｅｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系橙色蛍光体であるＳｒ２ＢａＳｉＯ５：Ｅｕ（略称：ＳＢＳ）とを、表４に示す配合量で混合し、蛍光体ペーストを作製した。なお、表４には、
各蛍光体について粉末の状態で測定した発光ピーク波長と色度（ＣＩＥ色度座標値）も併せて示す。
【００５７】
【表４】
2011014697.tif 000006
【００５８】
次に、上記で得た蛍光体ペーストを、前記のＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップを実装したＳＭＤ型樹脂パッケージのキャビティ内に注入した。注入した重量は０．００３ｇであった。その後、１１０℃、１時間の予備加熱を行ったうえ、１５０℃、２時間の加熱を行い、蛍光体ペーストを硬化させることにより、白色ＬＥＤを得た。
上記手順により得た白色ＬＥＤに２０ｍＡの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のＣＩＥ色度座標値は（ｘ，ｙ）＝（０．２６６，０．２３２）であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。光束は３．３［ｌｍ］であり、発光効率は４９．８［ｌｍ／Ｗ］であった。発光スペクトルは図３に示す通りであり、５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は５７５ｎｍであった。また、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内におけるスペクトル強度は、この範囲内のいずれの波長においても、波長５７５ｎｍにおけるスペクトル強度の８９％以上であった（この波長範囲内においてスペクトル強度が最小となる波長が６００ｎｍであり、その波長６００ｎｍにおけるスペクトル強度は波長５７５ｎｍにおけるスペクトル強度の８９％であった）。
【００５９】
（比較実験例）
橙色蛍光体に代えて赤色蛍光体であるＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ（略称：ＣＡＳＮ）を用いたこと、および、バインダおよび各蛍光体を表５に示す配合量で混合したことを除き、実験例１と同様にして白色ＬＥＤを作製した。この白色ＬＥＤに２０ｍＡの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のＣＩＥ色度座標値は（ｘ，ｙ）＝（０．２４２，０．２２２）であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。光束は２．８［ｌｍ］であり、発光効率は４２．２［ｌｍ／Ｗ］であった。発光スペクトルは図４に示すとおりであり、５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は５２８ｎｍであった。また、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲のスペクトル強度について見ると、略全範囲（５７４ｎｍ〜６００ｎｍ）において波長５２８ｎｍにおけるスペクトル強度の半分を下回っていた。
【００６０】
【表５】
2011014697.tif 000007
【００６１】
（実験例２）
サファイア基板を用いて形成された３５０μｍ角、主発光ピーク波長４０８ｎｍのＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ１２個を、ＳＭＤ型パッケージのキャビティ底面に形成された電極上に、Ａｕバンプを用いてフリップチップ実装した。実装された１２個のＬＥＤチップは並列に接続された。
【００６２】
次に、シリコーン樹脂を主成分とする透明なバインダと、Ｅｕ付活アルミン酸塩系青色蛍光体であるＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ（略称：ＢＡＭ）と、Ｅｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系緑色蛍光体である（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ（略称：ＢＳＳ）と、Ｅｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系橙色蛍光体であるＳｒ２ＢａＳｉＯ５：Ｅｕ（略称：ＳＢＳ）とを、表６に示す配合量で混合し、蛍光体ペーストを作製した。なお、表６には、各蛍光体について粉末の状態で測定した発光ピーク波長と色度（ＣＩＥ色度座標値）も併せて示す。
【００６３】
【表６】
2011014697.tif 000008
【００６４】
次に、上記で得た蛍光体ペーストを、前記のＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップを実装したＳＭＤ型パッケージのキャビティ内に注入した。その後、１１０℃、１時間の予備加熱を行ったうえ、１５０℃、２時間の加熱を行い、蛍光体ペーストを硬化させることにより、白色ＬＥＤを得た。
上記手順により得た白色ＬＥＤに２４０ｍＡの電流を印加したときの発光特性を調べた。発光のＣＩＥ色度座標値は（ｘ，ｙ）＝（０．３４４，０．３８０）であり、色度図上で白色光の領域に含まれる値であった。相関色温度は５１５５［Ｋ］であり、平均演色評価数Ｒａは８３であった。また、光束は６２［ｌｍ］であり、発光効率は７６［ｌｍ／Ｗ］であった。発光スペクトルは図５に示すとおりであり、５１５ｎｍより長波長側の領域においてスペクトル強度が最大となる波長は５８１ｎｍであった。また、５７０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内におけるスペクトル強度は、この範囲内のいずれの波長においても、波長５８１ｎｍにおけるスペクトル強度の９１％以上であった（この範囲内においてスペクトル強度が最小となる波長が６００ｎｍであり、その波長６００ｎｍにおけるスペクトル強度は波長５８１ｎｍにおけるスペクトル強度の９１％であった）。
【符号の説明】
【００６５】
１  白色発光装置
１０  パッケージ
１１  絶縁基板
１２  パッケージ電極
１３  リフレクタ
２０  ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ
２１  結晶基板
２２  窒化物半導体膜
２３ａ、２４ａ  透明電極
２３ｂ、２４ｂ  ボンディングパッド
２５  反射膜
３０  ボンディングワイヤ
４０  コーティング
【図１】
2011014697.tif 000009
【図２】
2011014697.tif 000010
【図３】
2011014697.tif 000011
【図４】
2011014697.tif 000012
【図５】
2011014697.tif 000013