JP6744817B2 - 波長変換用接合体 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体発光デバイスに用いられる波長変換用接合体に関する。

青色ＬＥＤチップと、青色光を黄色に変換するＹＡＧとを組み合わせた白色ＬＥＤ照明装置が知られている。このような照明装置は、白熱電球などに比べて発光効率が高く、長寿命でかつ装置の小型化や消費電力の削減が可能であり、さらなる効率・信頼性の向上や、高出力化に向けて開発が進んでいる。

また、パソコンやメモリカードからの画像データをスクリーンに投影するためのプロジェクタにおいても、従来は高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、ＬＥＤやＬＤを用いた装置が開発されている。なかでも、ＬＤは、ＬＥＤのように波長や振幅にバラつきがなく、可視光線から中赤外線までの様々な波長領域において光を出力できることから、発光効率の高い光源として開発されている。ただし、波長５００〜６００ｎｍの可視光線、および波長２〜５μｍの近赤外線から中赤外線までの波長領域では、ＬＤ光源から直接光を発生することが困難であるため、非線形光学効果を利用した波長変換が用いられている。

これまでに様々な形態の波長変換素子が報告されているが、例えば、特許文献１には、ｎ−型領域とｐ−型領域との間に発光層を有し、さらに、該発光層によって放射される光の光路にセラミック層が組み合わされた半導体発光装置において、サファイアの成長基板上にＹＡＧ：Ｃｅセラミック層が形成された波長変換素子が開示されている。特許文献１では、サファイアの成長基板上にＹＡＧ：Ｃｅセラミック層をキャストしてセラミック生形体を得た後、この成形体を焼結することで、成長基板とセラミック層とを一体化させている。

特許文献２には、成長基板の上に、ｎ−型領域とｐ−型領域との間に堆積された発光層を含む半導体構造体を成長させ、該半導体構造体の上に、さらに、ホストと発光材料を含むセラミック層とを含む複合基板を接合した波長変換素子が開示されている。特許文献２では、ＹＡＧ：Ｃｅセラミックグリーン体をサファイア・ホスト材料と重ね、セラミック・バインダを５００〜６００℃の温度下に空気中で燃焼させ、次いで、スタックを加圧ダイに送った後、１５００〜１８００℃で２〜１２時間、真空加圧して発光セラミックとホストとの接合体を形成している。

特表２００８−５０２１３１号公報 特開２００７−１５０３３１号公報

しかしながら、特許文献１では、ＹＡＧ：Ｃｅセラミック成形体を焼結させるために、焼結後、サファイアの成長基板に比べて、ＹＡＧ：Ｃｅセラミック層が大きく収縮するために、成長基板とセラミック層とを一体化させた後、波長変換素子に歪みが生じ、これが反りの発生、強度の低下の原因となっていた。

また、特許文献２では、ＹＡＧ：Ｃｅセラミックグリーン体とサファイア・ホスト材料とを加圧しながら共焼成するために、ＹＡＧ：Ｃｅセラミックグリーン体とサファイア・ホスト材料との間の接触面積は大きくなるものの、得られる接合体の機械的強度や光学的特性を改善するのに、必要に応じて、アニーリングや表面研磨等の処理がさらに必要であり、改善の余地があった。

本発明は、上記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、高い光透過性を有し、かつ、焼結しても強度を維持することができる波長変換用接合体を提供することを課題とする。

本発明の波長変換用接合体は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＹＡＧ：Ｃｅからなる焼成による多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、前記多結晶蛍光体が、厚さ５０〜１０００μｍであり、前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の２０〜５０％の領域にＡｌ₂Ｏ₃配向度が６０％以上であるＡｌ₂Ｏ₃配向化層を有し、前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 配向化層の真上にＡｌ ₂ Ｏ ₃ 配向度が３０％以下であるＡｌ ₂ Ｏ ₃ 非配向化層を有し、前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 配向化層中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の平均結晶粒径が１〜１０μｍであることを特徴とする。

上記の構成を有することで、本発明の波長変換用接合体は、高い透明性を有し、かつ、多結晶蛍光体層とサファイア基板との熱膨張の差が小さいため、該多結晶蛍光体層と該サファイア基板とを焼結により接合しても、割れ難く、強度を維持することができる。

このようなＡｌ₂Ｏ₃非配向化層をＡｌ₂Ｏ₃配向化層上に有することで、該非配向化層が光を適度に散乱させ、所望の光透過性を波長変換用接合体に付与することができる。

前記多結晶蛍光体中、Ａｌ₂Ｏ₃とＹＡＧ：Ｃｅとの含有比率が体積比で９０：１０〜５０：５０であることが好ましい。

かかる構成を有することで、本発明の波長変換用接合体は透明性を有し、加えて、従来の波長変換部材に比べて、良好な強度を有することができる。

本発明の波長変換用接合体は、高い光透過性、すなわち、透明性を有し、かつ、製造時に焼結しても、応力による歪みが生じず、強度を維持することができる。このため、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）、特にレーザーダイオード（ＬＤ）の半導体発光デバイスの用途に好適に用いられる。

本発明の波長変換用接合体（以下単に「接合体」ともいう。）は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＹＡＧ：Ｃｅからなる多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、前記多結晶蛍光体が、厚さ５０〜１０００μｍであり、前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の２０〜５０％の領域にＡｌ₂Ｏ₃配向度が６０％以上であるＡｌ₂Ｏ₃配向化層を有する。
上記接合体の各構成要素について詳細に説明する。

上記多結晶蛍光体は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＹＡＧ：Ｃｅからなる。
ＹＡＧ：Ｃｅは、黄緑色の範囲の光を放出する蛍光体である。ＹＡＧ：Ｃｅは、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂のＹの格子位置を希土類元素であるＣｅで置換した化合物であり、（Ｙ，Ｃｅ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂またはＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺とも表される。
蛍光体は、母体となる結晶と、それに固溶させる金属イオン（付活イオン）との組み合わせで発光色が決まる。付活イオンは、発光中心として機能するイオンである。本発明では、母体であるＹＡＧ結晶に、付活イオンＣｅ³⁺をドープすることによって、ＹＡＧ：Ｃｅが青色光によって励起され、黄緑色光を発する。なお、化学組成が同じであっても結晶構造が異なる場合、母体結晶が異なることにより発光特性や安定性が異なるため、異なる蛍光体となる。
ＣｅはＹＡＧに対して、０．１〜３．０ｍｏｌ％添加する。Ｃｅの添加量が前記範囲内であるとき、単一相のＹＡＧが得られることが粉末Ｘ線回折パターンからわかっている。

Ａｌ₂Ｏ₃には、単結晶Ａｌ₂Ｏ₃および多結晶Ａｌ₂Ｏ₃のいずれも用いることができる。このようなＡｌ₂Ｏ₃の平均粒径は、通常１〜１０μｍである。Ａｌ₂Ｏ₃は、多結晶蛍光体において光の散乱および熱の伝搬の働きをする。

上記多結晶蛍光体において、Ａｌ₂Ｏ₃およびＹＡＧ：Ｃｅは、体積比で９０：１０〜５０：５０で含まれることが好ましく、７８：２２〜７０：３０で含まれることがより好ましい。ＹＡＧ：Ｃｅの含有比が２０ｖｏｌ％未満であると、蛍光体として実用に耐える機能を発揮できないことがある。一方、ＹＡＧ：Ｃｅの含有比が５０ｖｏｌ％を超えると、熱伝導率が低下し、放熱効果が低下することがある。

多結晶蛍光体は、ドクターブレード法を用いた反応焼結法により作製することができる。
このような多結晶蛍光体の厚さは５０〜１０００μｍ、好ましくは１００〜３００μｍである。多結晶蛍光体の厚さが上記範囲内にあると、散乱特性が適性化し、配光特性、発光効率が良化するため好ましい。

本発明では、多結晶蛍光体を形成させるための成長基板として、サファイア基板が用いられる。成長基板を形成する材料としては、熱伝導率および透明性の高いものであれば、制限はないといえるが、サファイア、特に単結晶サファイアは、機械的および熱的特性、化学的安定性、並びに光透過性に優れることから、本発明において、多結晶蛍光体を成長させるための成長基板として好適に用いられる。

サファイア基板は、公知の方法により作製してもよいし、例えば、ＣＺ法にて作製した市販品を用いてもよい。
このようなサファイア基板の厚みは、通常１００〜１０００μｍである。

次に、本発明の接合体の製造方法として、上記多結晶蛍光体をサファイア基板の表面に形成する方法を説明する。

まず、サファイア基板および多結晶蛍光体をラップ研磨等の方法により研磨する。サファイア基板および多結晶蛍光のそれぞれの研磨面を重ね合わせ、減圧〜常圧下、１６００〜１７００℃で１０〜３０分間焼成することで、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させる。なお、この焼成では徐々に１６００℃まで昇温することを要しない。
このようにして得られる本発明の接合体では、多結晶蛍光体とサファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の２０〜５０％の領域に、Ａｌ₂Ｏ₃配向度が６０％以上であるＡｌ₂Ｏ₃配向化層を有している。

つまり、本発明の製造方法では、まず、サファイア基板および多結晶蛍光体を別途作製し、それぞれ表面を研磨し、該サファイア基板の研磨面に該多結晶蛍光体の研磨面を重ねて、加圧せずに焼成することで、応力による歪みが生じることなく両者が一体化し、多結晶蛍光体とサファイア基板との接合界面付近のＡｌ₂Ｏ₃層を配向させることができる。

上記接合体において、Ａｌ₂Ｏ₃配向化層中のＡｌ₂Ｏ₃配向度が６０％未満であると、発光強度が小さく、波長変換体としての実用に耐える機能を発揮できないことがある。

さらに、上記接合体では、前記Ａｌ₂Ｏ₃配向化層の直上、すなわち、上記接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向５０％を超える領域に、Ａｌ₂Ｏ₃配向度が３０％以下であるＡｌ₂Ｏ₃非配向化層を有することが好ましい。

このような層をＡｌ₂Ｏ₃配向化層の上に有することで、多結晶蛍光体中を光が過度に通り抜けるのを防止することができる。

上記接合体中、Ａｌ₂Ｏ₃配向層中のＡｌ₂Ｏ₃の平均粒径は、１〜１０μｍであることが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃の平均粒径が１μｍ未満であると、多結晶蛍光体の結晶性が向上せず、発光効率が低下することがある。一方、Ａｌ₂Ｏ₃の平均粒径が１０μｍを超えると、発光ムラが生じたり、強度の低下に繋がることがある。

以上のとおり、本発明の接合体は、高い光透過性を有し、かつ、製造時に焼結しても、応力による歪みが生じることがないため、強度を維持することができる。このため、上記接合体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオード（ＬＤ）、特にレーザーダイオード（ＬＤ）の照明用途に好適である。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。

［参考例１］
平均粒径０．５μｍで純度９９．９％の酸化セリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を所定量配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、ＰＶＢ系バインダーおよびグリセリン系可塑剤を原
料粉末に対して添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって１０時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、表１に示す所定厚みのグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口１００ｍｍに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶蛍光体を得た。
サファイア基板および多結晶蛍光体を３μｍのダイヤモンドスラリーを用い研磨加工後、研磨面を重ね合わせ、常圧下、１６００℃で３０分間焼成し、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させた。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のＡｌ₂Ｏ₃とＹＡＧ：Ｃｅとの含有比率が体積比で７５：２５の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが５００μｍであった。
また、前記サファイア基板との界面から２００μｍの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のＡｌ₂Ｏ₃の配向度をＥＢＳＰ装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度はいずれも６５％であった。前記２００μｍの厚さ領域のＡｌ₂Ｏ₃配向化層中のＡｌ₂Ｏ₃の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ４．５μｍであった。

［実施例２］
平均粒径０．５μｍで純度９９．９％の酸化セリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化イットリウム粉末、純度９９．９％、所定粒子径の酸化アルミニウム粉末を所定量配合し、原料粉末を得た。
前記原料粉末に対してエタノール、ＰＶＢ系バインダーおよびグリセリン系可塑剤を原料粉末に対して添加し、酸化アルミニウムボールを用いたボールミルによって１０時間粉砕混合を行い、スラリーを作製した。
そして、得られたスラリーから、ドクターブレード法により、表１に示す所定厚みのグリーンシートを作製した。次に、作製したグリーンシートを口１００ｍｍに打ち抜き加工した後、大気中で脱脂仮焼、真空雰囲気下で焼結し、多結晶蛍光体を得た。
サファイア基板および多結晶蛍光体を３μｍのダイヤモンドスラリーを用い研磨加工後、研磨面を重ね合わせ、真空雰囲気下、１７００℃で１０分間焼成し、サファイア基板および多結晶蛍光体を一体化させた。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のＡｌ₂Ｏ₃とＹＡＧ：Ｃｅとの含有比率が体積比で７０：３０の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが４００μｍであった。
また、前記サファイア基板との界面から２００μｍの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のＡｌ₂Ｏ₃の配向度をＥＢＳＰ装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度は、前者領域が７０％であり、後者領域が２５％であった。前記２００μｍの厚さ領域のＡｌ₂Ｏ₃配向化層中のＡｌ₂Ｏ₃の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ３．２μｍであった。

［比較例１］
上記参考例１の製造方法のうち、接合について、接合条件を常圧下、１５００℃で１８０分間焼成としたこと以外は同様に接合体を製造した。
得られた接合体は、前記多結晶蛍光体中のＡｌ₂Ｏ₃とＹＡＧ：Ｃｅとの含有比率が体積比で７５：２５の焼結体からなり、前記多結晶蛍光体層の厚さが５００μｍであった。
また、前記サファイア基板との界面から２００μｍの厚さ領域およびこの直上から外表面までの領域における前記多結晶蛍光体層のＡｌ₂Ｏ₃の配向度をＥＢＳＰ装置を用い測定を行った。その結果得られた配向度はいずれも５５％であった。前記２００μｍの厚さ領域のＡｌ₂Ｏ₃配向化層中のＡｌ₂Ｏ₃の平均結晶粒径をインターセプト法により測定したところ１．５μｍであった。

［評価］
前記参考例１、実施例２および比較例１について、次の方法により光透過特性および機
械的強度特性の評価を行った。
〈光透過特性の評価法〉
サファイア基板、およびそれぞれの接合体の背面より赤色ＬＤ光を照射し、前方透過光の出力を測定し、接合体の透過率／サファイア基板の透過率を算出し、光の透過特性を評価した。
〈機械的強度特性の評価法〉
接合強度の評価はサファイア、多結晶蛍光体にプラグを設置し、引っ張り強度にて測定した。

［評価］
上記の通り、光透過特性および機械的強度において、参考例１および実施例２の波長変換用接合体は、比較例１のものに比べ、優れた特性が得られることが確認された。

Claims (2)

1. Ａｌ₂Ｏ₃およびＹＡＧ：Ｃｅからなる焼成による多結晶蛍光体と、サファイア基板との接合体であって、
   前記多結晶蛍光体が、厚さ５０〜１０００μｍであり、
   前記多結晶蛍光体と前記サファイア基板との接合界面から多結晶蛍光体の厚さ方向の２０〜５０％の領域にＡｌ₂Ｏ₃配向度が６０％以上であるＡｌ₂Ｏ₃配向化層を有し、
   前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 配向化層の真上にＡｌ ₂ Ｏ ₃ 配向度が３０％以下であるＡｌ ₂ Ｏ ₃ 非配向化層を有し、
   前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 配向化層中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の平均結晶粒径が１〜１０μｍであることを特徴とする波長変換用接合体。
2. 前記多結晶蛍光体中、Ａｌ₂Ｏ₃とＹＡＧ：Ｃｅとの含有比率が体積比で９０：１０〜５０：５０であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換用接合体。