JP6499381B2 - 蛍光体素子および照明装置 - Google Patents
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Description
本発明は、蛍光体素子および蛍光を発光する照明装置に関するものである。
最近、レーザ光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザあるいは紫外レーザと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザ光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザ光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、ＬＥＤに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のＹＡＧ単結晶蛍光体が考えられている。
特許文献１によると、ＹＡＧを単結晶化することにより、温度が上昇しても変換効率が劣化せず高効率の蛍光特性を示し、ハイパワー分野での応用が可能となった。この材料は、４５０ｎｍ青色励起光によって補色である黄色光を発することによって白色光を得ることができ、プロジェクターやヘッドライトへ適用するための開発が進められている。
照明用蛍光体については、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：ＹＡＧ）にＣｅをドープしたＣｅ :ＹＡＧ単結晶蛍光体も開発されている。従来、Ｃｅ :ＹＡＧ蛍光体は、焼結合成したり、ガラスに分散させるなどして実現されてきたが、励起光のパワー密度が上がると放熱が困難になり、効率が低下するという問題があった。
Ｃｅをドープした単結晶ＹＡＧは、結晶自体の発熱があっても変換効率が劣化しないという特性を有しており、ヘッドライトやプロジェクタなどの光源用として利用が期待されている。
特許文献２、３、４には、反射型蛍光体素子を用いた照明装置が開示されている。これは、蛍光体層のうち励起光が入射する入射面と反対側の表面に金属膜を形成し、金属膜と放熱基板（支持基板）とを接合したものである。蛍光体層の材質としては、ガラス中に蛍光体を分散しているものや、蛍光体多結晶、単結晶を例示している。
特許文献５には、反射型蛍光体素子を用いた照明装置が開示されている。これは、蛍光体層のうち励起光が入射する入射面と反対側の表面に誘電体多層膜を形成し、誘電体多層膜と放熱基板（支持基板）とを接合したものである。誘電体多層膜は、励起光を透過すると共に、蛍光体層が発する蛍光を反射するものである。この誘電体多層膜は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。
なお、本出願人は、蛍光体単結晶を応用した導波路型蛍光体素子を提案している（特許文献６）。しかし、これは光導波路内を伝搬する光を蛍光に変換するものである。
本発明者は、特許文献３〜５の教示に従い、蛍光体層上に反射膜を形成し、この反射膜を別体の支持基板に対して直接接合してみた。しかし、実際には、反射膜と支持基板との接合界面の全体にわたって均一な接合ができず、気泡が発生することがあった。更に、反射膜と支持基板とを接合した後に、蛍光体層に向かって励起光を照射してみると、蛍光体素子から射出されてきた蛍光の強度が低下することがあった。さらに、この現象には蛍光体層の面内でバラツキがあることから、出射する蛍光に色ムラも発生することがわかった。
本発明の課題は、蛍光体ガラスまたは蛍光体単結晶からなる蛍光体層、蛍光体層上に設けられた反射膜および支持基板を備える蛍光体素子において、反射膜と支持基板との接合状態を良好とし、かつ蛍光体素子から射出される蛍光の強度を向上させることである。
本発明に係る蛍光体素子は、
蛍光体層、
前記蛍光体層上に設けられた反射膜、
前記反射膜上に設けられた反り抑制層、および
前記反り抑制層に直接接合されている支持基板を備えており、
前記蛍光体層に入射する励起光を蛍光に変換し、前記蛍光および前記励起光を前記反射膜で反射して前記蛍光体層から出射させ、
前記反射膜が誘電体多層膜であり、前記反り抑制層の材質の熱膨張係数が、前記誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。
蛍光体層、
前記蛍光体層上に設けられた反射膜、
前記反射膜上に設けられた反り抑制層、および
前記反り抑制層に直接接合されている支持基板を備えており、
前記蛍光体層に入射する励起光を蛍光に変換し、前記蛍光および前記励起光を前記反射膜で反射して前記蛍光体層から出射させ、
前記反射膜が誘電体多層膜であり、前記反り抑制層の材質の熱膨張係数が、前記誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。
本発明者は、蛍光体層上に反射膜を形成し、この反射膜を別体の支持基板に対して直接接合した場合に、支持基板の接合面において気泡が発生したり、素子から反射される蛍光強度が低下する原因について検討し、次の知見を得た。
例えば、反射層が誘電体多層膜である場合には、蛍光体層の一方の主面のみに誘電体多層膜が形成される結果、成膜時に温度が上昇するため、成膜後、常温に戻した時に蛍光体層と誘電体多層膜との熱膨張係数差による反りが発生した。これにより、蛍光体層と支持基板を直接接合する場合、この反りのために支持基板との直接接合が全面均一にできず、接合できない部分については気泡が発生することがあった。また、蛍光体層に残留する内部応力の作用によって変換効率が劣化し、蛍光強度が低下することがわかった。
これと同様に、反射層が金属膜である場合には、蛍光体層の一方の主面のみに金属膜が形成される結果、成膜時に温度が上昇するため、成膜後、常温に戻した時に蛍光体層と金属膜との熱膨張係数差による反りが発生した。ただし、この反りは、前記した誘電体多層膜の場合の反りとは反対の向きに発生した。これにより、蛍光体層と支持基板を直接接合する場合、反りのために支持基板との直接接合が全面均一にできず、接合できない部分については気泡が発生することがあった。また、蛍光体層に残留する内部応力の作用によって変換効率が劣化し、蛍光強度が低下することがわかった。
そこで、本発明者は、蛍光体層上に誘電体多層膜を形成するとともに、反射膜上に反り抑制層を形成することで、蛍光体層の反りを低減し、ついで蛍光体層を支持基板に対して直接接合するのに際して、反り抑制層の材質の熱膨張係数を、誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数よりも大きくすることを試みた。この結果、支持基板との接合面における気泡の発生を抑制でき、応力による変換効率劣化を防ぎ、素子から反射される蛍光の強度が向上することを見いだし、本発明に到達した。
図１は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子１０を示す模式図である。
蛍光体素子１０においては、蛍光体層１の主面１ｂに誘電体多層膜２が設けられており、誘電体多層膜２の主面２ｂに反り抑制層３が設けられている。そして、反り抑制層３の主面３ｂが支持基板４の主面４ａに対して直接接合されている。４ｂは支持基板４の底面である。なお、２ａは誘電体多層膜２の主面であり、３ａは反り抑制層３の主面である。
蛍光体素子１０においては、蛍光体層１の主面１ｂに誘電体多層膜２が設けられており、誘電体多層膜２の主面２ｂに反り抑制層３が設けられている。そして、反り抑制層３の主面３ｂが支持基板４の主面４ａに対して直接接合されている。４ｂは支持基板４の底面である。なお、２ａは誘電体多層膜２の主面であり、３ａは反り抑制層３の主面である。
励起光Ａが蛍光体層１の主面１ａに入射すると、励起光の一部が蛍光に変換され、誘電体多層膜２の主面２ａを通って入射する。残りの励起光と蛍光とは誘電体多層膜２内で反射され、矢印Ｂのように再び蛍光体層１を通過し、主面１ａから射出される。
図２は、参考形態に係る蛍光体素子９を示す模式図である。
蛍光体素子９においては、蛍光体層１の主面１ｂに金属膜５が設けられており、金属膜５の主面５ｂに反り抑制層３が設けられている。そして、反り抑制層３の主面３ｂが支持基板４の主面４ａに対して直接接合されている。４ｂは支持基板４の底面である。なお、５ａは金属膜５の主面であり、３ａは反り抑制層３の主面である。
蛍光体素子９においては、蛍光体層１の主面１ｂに金属膜５が設けられており、金属膜５の主面５ｂに反り抑制層３が設けられている。そして、反り抑制層３の主面３ｂが支持基板４の主面４ａに対して直接接合されている。４ｂは支持基板４の底面である。なお、５ａは金属膜５の主面であり、３ａは反り抑制層３の主面である。
励起光Ａが蛍光体層１の主面１ａに入射すると、励起光Ａの一部が蛍光に変換される。励起光と蛍光とは金属膜５の主面５ａで反射され、矢印Ｂのように再び蛍光体層１を通過し、主面１ａから射出される。
以下、本発明の作用について更に詳しく説明する。
本発明者は、例えば図３に示すように、蛍光体層１Ａ上に誘電体多層膜２Ａを形成し、この誘電体多層膜２Ａを別体の支持基板４に対して直接接合してみた。そして、支持基板４の接合面４ａにおいて気泡が発生したり、素子から反射される蛍光強度が低下する原因について検討し、次の知見を得た。
本発明者は、例えば図３に示すように、蛍光体層１Ａ上に誘電体多層膜２Ａを形成し、この誘電体多層膜２Ａを別体の支持基板４に対して直接接合してみた。そして、支持基板４の接合面４ａにおいて気泡が発生したり、素子から反射される蛍光強度が低下する原因について検討し、次の知見を得た。
反射膜が誘電体多層膜２Ａである場合には、蛍光体層１の一方の主面１ｂのみに誘電体多層膜２Ａが形成される。このため、成膜時（高温時）には図３（ａ）に示すように平坦であっても、冷却後には、図３（ｂ）に示すように、蛍光体層１Ｂと誘電体多層膜２Ｂとの熱膨張係数差による反りが発生した。典型的には蛍光体層の方が誘電体多層膜よりも熱膨張係数が大きいので、冷却時には蛍光体層１Ｂのほうが誘電体多層膜２Ｂよりも収縮量が大きいため、誘電体多層膜２Ｂが突出する方向に反る。
これにより、図３（ｃ）に示すように、蛍光体層１Ｂと支持基板４の接合面４ａとを直接接合する場合、反りのために支持基板との直接接合を全面均一に実施することが難しく、支持基板の接合面に気泡が発生することがあった。それでも直接接合を強固に行うと、蛍光体層４に残留する内部応力の作用によって変換効率が劣化し、蛍光強度が低下することがわかった。一般的に、格子欠陥によりトラップされて変換効率が低下することが知られている。最近では、ＹＡＧ単結晶を粉砕する場合にも、加工により粉体の表面に欠陥準位が発生し、変換効率が劣化することがわかっている。蛍光体層中に内部応力が発生する場合にも、内部応力によりマイクロクラックが発生し、変換効率が低下したものと考えられる。
また、反射膜が金属膜である場合にも、図４（ａ）に示すように、蛍光体層１Ａの一方の主面１ｂのみに金属膜５Ａが形成される。このため、成膜時（高温時）には図４（ａ）に示すように平坦であっても、冷却後には、図４（ｂ）に示すように、蛍光体層１Ｃと金属膜５Ｂとの熱膨張係数差による反りが発生した。典型的には蛍光体層の方が金属膜よりも熱膨張係数が小さいので、冷却時には蛍光体層１Ｃのほうが金属膜５Ｂよりも収縮量が小さいため、金属膜５Ｂの表面が凹むように反る。
これにより、図４（ｃ）に示すように、蛍光体層１Ｃと支持基板４の接合面４ａとを直接接合する場合、反りのために支持基板との直接接合を全面均一に実施することが難しく、支持基板の接合面に気泡が発生することがあった。それでも直接接合を強固に行うと、蛍光体層４に残留する内部応力の作用によって変換効率が劣化し、蛍光強度が低下することがわかった。
そこで、本発明者は、蛍光体層上に反射膜を形成するとともに、反射膜上に反り抑制層を形成することで、いったん蛍光体層の反りを低減し、ついで蛍光体層を支持基板に対して直接接合することを試みた。この結果、支持基板との接合面が均一に接触し、気泡を抑制でき、変換効率が劣化することなく、素子から反射される蛍光の強度が向上することを見いだした。
すなわち、反射膜が誘電体多層膜である場合には、前述したように、冷却後には、図５（ｂ）に示すように、蛍光体層１Ｂと誘電体多層膜２Ｂとの熱膨張係数差による反りが発生した。ここで、本発明に従い、誘電体多層膜２Ｂの主面２ｂ上に反り抑制層３を形成すると、図５（ｃ）に示すように、誘電体多層膜２および蛍光体層１の反りが抑制され、反り抑制層３の主面３ｂの平坦度が高くなる。この状態で、図５（ｄ）に示すように、反り抑制層３を支持基板４に対して直接接合すると、前述したように支持基板の接合面における気泡を抑制でき、素子から反射される蛍光の強度が向上することを見いだした。
また、反射膜が金属膜である場合には、前述したように、冷却後には、図６（ｂ）に示すように、蛍光体層１Ｃと金属膜５Ｂとの熱膨張係数差による反りが発生した。ここで、本発明に従い、金属膜５Ｂの主面５ｂ上に反り抑制層３を形成すると、図５（ｃ）に示すように、金属膜５および蛍光体層１の反りが抑制され、反り抑制層３の主面３ｂの平坦度が高くなる。この状態で、図５（ｄ）に示すように、反り抑制層３を支持基板４に対して直接接合すると、この場合も同様に支持基板の接合面における気泡を抑制でき、素子から反射される蛍光の強度が向上することを見いだした。
好適な実施形態においては、蛍光体層の反射膜とは反対側に、励起光を部分的に透過する部分透過膜を設けることによって、励起光が部分透過膜を透過した後に蛍光体層に入射するようにした。
すなわち、図７に示す素子２０においては、蛍光体層１の主面１ｂに誘電体多層膜２や金属膜５が設けられており、誘電体多層膜２（金属膜５）の主面２ｂ（５ｂ）に反り抑制層３が設けられている。蛍光体層１の誘電体多層膜２とは反対側の主面１ａに部分透過膜１５が設けられている。そして、反り抑制層３の主面３ｂが支持基板４の主面４ａに対して直接接合されている。
励起光Ａは、まず部分透過膜１５の主面１５ａに入射し、部分透過膜で一部が反射され、一部が蛍光体層１の主面１ａに入射する。蛍光体層１内に入射した励起光Ａは、誘電体多層膜２（金属膜５）で矢印Ｃのように反射され、次いで部分透過膜１５の主面１５ｂで矢印Ｄのように反射される。励起光Ａは、矢印Ｃ、Ｄのように多重反射を繰り返しながら蛍光体層１内を伝搬し、徐々に蛍光に変換される。そして、残りの励起光と蛍光とは矢印Ｂのように再び蛍光体層１を通過し、蛍光体層の主面１ａから射出され、更に部分透過膜１５を透過して矢印Ｂのように素子外へと出射される。
部分透過膜は励起光の一部を透過して、残りを反射する特性をもつ膜であり、蛍光体層の励起光の入射面側と反対面側で多重反射が起こる。これによって、蛍光体層を構成する蛍光体の不均一性による変換効率の面内分布があった場合においても、全体として蛍光の光束の面内の輝度が均一になり照明光として色分布のない白色光を得ることができる。
さらに、蛍光体層の一方の主面に反射膜を設けると共に、他方の主面に部分透過膜を設けることによって、双方の応力をある程度相殺し、蛍光体層の反りも低減し、反り抑制層を形成することで均一な直接接合面を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について更に詳細に説明する。
蛍光体層を構成する蛍光体は、励起光を蛍光に変換できるものであれば限定されないが、蛍光体ガラス、蛍光体単結晶または蛍光体多結晶であってよい。
蛍光体層を構成する蛍光体は、励起光を蛍光に変換できるものであれば限定されないが、蛍光体ガラス、蛍光体単結晶または蛍光体多結晶であってよい。
蛍光体ガラスは、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示できる。
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示できる。
蛍光体ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ、が好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
蛍光体単結晶としては、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｂａ５Ｓｉ１１Ａｌ７Ｎ２５、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２が好ましい。Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２のＹ（イットリウム）の一部がＬｕに置換されていてもよい。また、蛍光体単結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄが特に好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
また、蛍光体多結晶としては、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、ＢＯＳ（バリウム・オルソシリケート）系、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が例示できる。ＹＡＧのＹ（イットリウム）の一部がＬｕに置換されていてもよい。
蛍光体多結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄが特に好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
蛍光体多結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄが特に好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
蛍光体層の厚さは、励起光を十分高い効率で蛍光に変換するという観点からは、３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上が更に好ましい。また、蛍光体層の厚さが大きすぎると、励起光や蛍光が基板側面で散乱されたり出射して減衰するので、蛍光体層の厚さは３００μｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下が更に好ましい。
蛍光体層の厚さとは、支持基板の接合面に垂直な方向に見た蛍光体層の寸法である。
蛍光体層の厚さとは、支持基板の接合面に垂直な方向に見た蛍光体層の寸法である。
蛍光体層上に設けられた反射膜は、蛍光体層を通過してきた蛍光を反射するものであれば特に制限されない。反射膜は、励起光を全反射する必要はなく、励起光の一部を透過させても良い。
本発明においては、反射膜が誘電体多層膜である。
反射膜を誘電体多層膜とした場合には、吸収がないため、入射した光は損失なく１００％反射光とすることが可能である。
反射膜を誘電体多層膜とした場合には、吸収がないため、入射した光は損失なく１００％反射光とすることが可能である。
反射膜による励起光の反射率は、９０％以上とするが、９５％以上であることが好ましく、また全反射してもよい。
誘電体多層膜は、高屈折材料と低屈折材料とを交互に積層した膜である。高屈折材料率としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２Ｏ５を例示できる。また、低屈折材料としては、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２を例示できる。
誘電体多層膜の積層数や合計厚さは、反射させるべき蛍光の波長によって適宜選択する。
また、金属膜の材質としては、以下が好ましい。
（１） Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの単層膜
（２） Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの多層膜
反射膜と蛍光体基板との密着性、剥がれ防止、イオンマイグレーション防止のために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔなどからなるバッファ層を金属膜と蛍光体層の間に設けても良い。
（１） Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの単層膜
（２） Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの多層膜
反射膜と蛍光体基板との密着性、剥がれ防止、イオンマイグレーション防止のために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔなどからなるバッファ層を金属膜と蛍光体層の間に設けても良い。
金属膜の厚さは、蛍光を反射できれば特に限定されないが、０．０５μｍ以上が好ましく、０．１μｍ以上が更に好ましい。
誘電体多層膜、金属膜、反り抑制層の成膜方法は特に限定されないが、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法が好ましい。蒸着法の場合、イオンアシストを付加して成膜することもできる。
支持基板の材質は、熱伝導が大きい材料が好ましく、高い表面平坦度を比較的容易に実現できることが好ましい。これらの観点からは、支持基板の材質は、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、シリコン、サファイアが好ましい。
部分透過膜は、励起光の一部を反射し、残りを透過する膜である。具体的には、部分透過膜の励起光に対する反射率は、９％以上であり、５０％以下が好ましい。
こうした部分透過膜の材質としては、前記した反射膜用の金属膜や誘電体多層膜を挙げることができる。ただし、励起光の一部を透過させるため、金属膜の厚さを小さくすることが好ましく、具体的には ０．１μｍ以下とすることが好ましい。また、誘電体多層膜の層数を少なくすることが好ましく、具体的には１０層以下とすることが好ましい。
好適な実施形態においては、蛍光体との接合後の反りによる変換効率低下を抑制するために、支持基板の材質の熱膨張係数は、蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、５０〜１５０であることが好ましい。この観点からは、支持基板の材質は、特にアルミナ、窒化アルミニウム、サファイアが好ましい。
支持基板の厚さは、放熱の観点からは、２００μｍ以上が好ましい。また、素子の小型化の観点からは、支持基板の厚さは、１０００μｍ以下が好ましい。
反射膜上に設けられた反り抑制層の材質は、蛍光体層上に反射膜を形成した後の反りを低減するような材質を選択する。
本発明においては、反射膜が誘電体多層膜であり、反り抑制層の材質の熱膨張係数が、誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数よりも大きい。
この場合、誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、１５０〜６００とすることが好ましく、２５０〜５００とすることが更に好ましい。
この場合、誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、１５０〜６００とすることが好ましく、２５０〜５００とすることが更に好ましい。
また、参考形態においては、反射膜が金属膜であり、反り抑制層の材質の熱膨張係数が、金属膜の材質の熱膨張係数よりも小さい。
この場合、金属膜の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、２５〜７０とすることが好ましく、３０〜５０とすることが更に好ましい。 なお、本明細書における熱膨張係数は、２５℃における基板面方向の線熱膨張係数とする。
さらに、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、蛍光体層の材質の熱膨張係数よりも小さいことにより、反り抑制の効果は大きくなる。
この場合、金属膜の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、２５〜７０とすることが好ましく、３０〜５０とすることが更に好ましい。 なお、本明細書における熱膨張係数は、２５℃における基板面方向の線熱膨張係数とする。
さらに、反り抑制層の材質の熱膨張係数は、蛍光体層の材質の熱膨張係数よりも小さいことにより、反り抑制の効果は大きくなる。
また、好適な実施形態においては、反り抑制層の熱膨張係数が、蛍光体層の熱膨張係数と反射膜の熱膨張係数との間の値である。
また、好適な実施形態においては、蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の熱膨張係数が５０〜１５０である。これによって、蛍光体層の反りを抑制し易い。この観点からは、蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の熱膨張係数が７５〜１２５であることが更に好ましい。
また、好適な実施形態においては、蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の熱膨張係数が５０〜１５０である。これによって、蛍光体層の反りを抑制し易い。この観点からは、蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、反り抑制層の熱膨張係数が７５〜１２５であることが更に好ましい。
以下、好適な材質の熱膨張係数を示す。
本発明では、反り抑制層に支持基板が直接接合されている。
直接接合は、一般的に金属／共有結合と拡散結合に分別されるが、高真空中での表面活性化処理を行う金属／共有結合を対象とする。さらに、本願では、接合界面にクラッド層の構成原子と支持基板の構成原子と異なる原子の混入を抑制するという観点から、表面活性化接合が好ましい。
直接接合は、一般的に金属／共有結合と拡散結合に分別されるが、高真空中での表面活性化処理を行う金属／共有結合を対象とする。さらに、本願では、接合界面にクラッド層の構成原子と支持基板の構成原子と異なる原子の混入を抑制するという観点から、表面活性化接合が好ましい。
表面活性化接合について述べる。高平坦な基板にアルゴンイオンを照射することにより表面の不純物原子を除去し、ダングリングボンドを出す。この状態は非常に活性化した表面状態であり、接合する相手と常温にて結合し、異種材料を接合することができる。また、接合界面に沿ってアモルファス層が残ることがある。
これに対して、原子間拡散接合法は、Ｔｉなどの金属層を例えば支持基板に成膜した後に接合するものである。表面活性化接合と同じように、常温から４００℃以下の低温で接合が可能であるが、結晶化した金属酸化物が残留し、アモルファス層は生じない。このため、接合面の熱膨張によってさらに熱応力を生ずるおそれもある。
本実施形態では、アルゴンイオンの照射方法を工夫することにより、界面に真空チャンバーを形成する金属材料の混入を防ぐことができ、アモルファス層内には、反り抑制層と支持基板を構成する原子以外の混入を防止でき、応力の緩和効果を高めることができる。
また、アルゴンイオンの照射時間を制御することにより、アモルファス層の厚みを制御することが可能である。
また、アルゴンイオンの照射時間を制御することにより、アモルファス層の厚みを制御することが可能である。
光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するＧａＮ材料による半導体レーザが好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。更に、ＬＥＤを利用でき、あるいは光源からの励起光を光ファイバーを通して蛍光体素子に対して入射させることもできる。
半導体レーザと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また、光源素子、蛍光体素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、蛍光体素子と支持基板の接合は、接着固定でもよく、直接接合でもよい。支持基板にスパッタ、ＣＶＤ等の成膜法により蛍光体素子を形成してもよい。
（実施例１：反射膜が誘電体多層膜である場合）
図１に示すような蛍光体素子１０を、図５に示す手順で作製した。
具体的には、単結晶ＣｅドープＹＡＧ（イットリウム−アルミニウムガーネット）からなる蛍光体層１Ａに、イオンアシスト蒸着装置にて誘電体多層膜２Ｂを形成した。誘電体多層膜２Ｂは、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。低屈折率層はＳｉＯ２からなり、高屈折率層はＴｉＯ２からなり、低屈折率層と高屈折率層の合計は６９層である。また、低屈折率層の総厚が３．３μｍ、高屈折率層の総厚が１．８μｍ、誘電体多層膜全体の厚みが５μｍである。このような誘電体多層膜においては、励起光の入射角度４５°の時、波長４５０ｎｍにて反射率が９９．５％以上で、波長５８０ｎｍにて反射率は９８％であった。
図１に示すような蛍光体素子１０を、図５に示す手順で作製した。
具体的には、単結晶ＣｅドープＹＡＧ（イットリウム−アルミニウムガーネット）からなる蛍光体層１Ａに、イオンアシスト蒸着装置にて誘電体多層膜２Ｂを形成した。誘電体多層膜２Ｂは、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。低屈折率層はＳｉＯ２からなり、高屈折率層はＴｉＯ２からなり、低屈折率層と高屈折率層の合計は６９層である。また、低屈折率層の総厚が３．３μｍ、高屈折率層の総厚が１．８μｍ、誘電体多層膜全体の厚みが５μｍである。このような誘電体多層膜においては、励起光の入射角度４５°の時、波長４５０ｎｍにて反射率が９９．５％以上で、波長５８０ｎｍにて反射率は９８％であった。
上記の場合、単結晶ＹＡＧ蛍光体層の熱膨張係数が８×１０-６／Ｋであるのに対して、誘電体多層膜のＳｉＯ２、ＴｉＯ２の熱膨張係数がそれぞれ０．７×１０-６／Ｋ、２．１×１０-６／Ｋと小さいため、蒸着後の蛍光体層は圧縮応力を受け、φ3インチの蛍光体基板で１００μｍ以上の反りが発生した。
次に、誘電体多層膜を構成する2種の誘電体のうち、熱膨張係数の高いＴｉＯ２よりも高い熱膨張係数を有するＡｌ２Ｏ３からなる反り抑制層３をスパッタした。Ａｌ２Ｏ３の熱膨張係数は７．２×１０-６／Ｋであり、膜厚は２μｍとした。その結果、蛍光体層の反りが１０μｍ以下に減少した。
次いで、サファイアからなる支持基板と蛍光体層上の反り抑制層とを常温直接接合（表面活性化法）にて接合した。接合面を顕微鏡にて観察した結果、直接接合の貼り合わせ面には気泡は存在しなかった。その後、貼り合わせした蛍光体層を厚み１００μｍまで光学研磨した。蛍光体層の厚さのばらつきは±０．２５μｍ以内であった。
最後に５×５ｍｍのサイズにダイシング装置で切断して反射型蛍光体素子を作製した。得られた蛍光体素子に３０ｍＷの半導体青色レーザを蛍光体の斜め４５°上方より投射した。このときの内部量子効率は９０％以上であった。また、色あいムラはなかった。
（比較例１：反射膜が誘電体多層膜である場合）
図３に示すプロセスに従い、蛍光体素子を作製した。
実施例１と同様に、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層に、イオンアシスト蒸着装置にて誘電体多層膜２Ｂを形成した。蒸着後の蛍光体層は圧縮応力を受け、φ3インチの蛍光体層で１００μｍ以上の反りが発生した。
図３に示すプロセスに従い、蛍光体素子を作製した。
実施例１と同様に、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層に、イオンアシスト蒸着装置にて誘電体多層膜２Ｂを形成した。蒸着後の蛍光体層は圧縮応力を受け、φ3インチの蛍光体層で１００μｍ以上の反りが発生した。
次に、サファイアからなる支持基板４と誘電体多層膜２Ｂとを常温直接接合（表面活性化法）にて接合した。接合面を顕微鏡にて観察した結果、直接接合の貼り合わせ面には気泡が数多く存在した。
その後、貼り合わせした蛍光体層を厚み１００μｍまで光学研磨したが、蛍光体層の厚さのバラツキは±５μｍであった。
最後に５×５ｍｍのサイズにダイシング装置で切断して反射型蛍光体素子を作製した。蛍光体素子に３０ｍＷの半導体青色レーザを蛍光体の斜め４５°上方より投射した。このときの内部量子効率は８０％であった。また、色あいムラが生じてしまった。
（実施例２：反射膜が金属膜の場合）
図２に示すような蛍光体素子９を、図６に示す手順で作製した。
具体的には、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層にスパッタ装置にて金属膜（アルミニウム膜）５Ｂを厚み２μｍで形成した。アルミニウム膜においては、波長４５０ｎｍにて反射率が９１％で、波長５８０ｎｍにて反射率は９１％であった。上記の場合、単結晶ＹＡＧ蛍光体層の熱膨張係数が８×１０-６／Ｋ、アルミニウム膜の熱膨張係数が２３．２×１０-６／Ｋとなるため、スパッタ後の基板は引っ張り応力を受け、φ３インチの蛍光体層で１００μｍ以上の反りが発生した。
図２に示すような蛍光体素子９を、図６に示す手順で作製した。
具体的には、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層にスパッタ装置にて金属膜（アルミニウム膜）５Ｂを厚み２μｍで形成した。アルミニウム膜においては、波長４５０ｎｍにて反射率が９１％で、波長５８０ｎｍにて反射率は９１％であった。上記の場合、単結晶ＹＡＧ蛍光体層の熱膨張係数が８×１０-６／Ｋ、アルミニウム膜の熱膨張係数が２３．２×１０-６／Ｋとなるため、スパッタ後の基板は引っ張り応力を受け、φ３インチの蛍光体層で１００μｍ以上の反りが発生した。
次に、アルミニウム膜の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するＡｌ２Ｏ３からなる反り抑制層３をスパッタした。Ａｌ２Ｏ３の熱膨張係数は７．２×１０−６／Ｋであり、膜厚は２μｍとした。その結果、蛍光体層の反りが１０μｍ以下に減少した。
さらにサファイアからなる支持基板４と反り抑制層３とを常温直接接合（表面活性化法）にて接合した。接合面を顕微鏡にて観察した結果、直接接合の貼り合わせ面には気泡は存在しなかった。その後、貼り合わせした蛍光体層を厚み１００μｍまで光学研磨した。蛍光体層の厚さのばらつきは±０．２５μｍ以内であった。
最後に５×５ｍｍのサイズにダイシング装置で切断して反射型蛍光体素子を作製した。蛍光体素子に３０ｍＷの半導体青色レーザを蛍光体の斜め上方より投射した。このときの内部量子効率は９０％以上であった。また、色あいムラはなかった。
（比較例２：反射膜が金属膜の場合）
図４に示すプロセスに従って蛍光体素子を作製した。
実施例２と同様に、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層にイオンアシスト蒸着装置にて金属膜を形成した。蒸着後の基板は引っ張り応力を受け、φ３インチの蛍光体基板で１００μｍ以上の反りが発生した。
図４に示すプロセスに従って蛍光体素子を作製した。
実施例２と同様に、単結晶ＣｅドープＹＡＧ蛍光体層にイオンアシスト蒸着装置にて金属膜を形成した。蒸着後の基板は引っ張り応力を受け、φ３インチの蛍光体基板で１００μｍ以上の反りが発生した。
次に、サファイアからなる基板と上記蛍光体基板を常温直接接合（表面活性化法）にて接合した。接合面を顕微鏡にて観察した結果、直接接合の貼り合わせ面には気泡が数多く存在した。その後、貼り合わせした蛍光体層を厚み１００μｍまで光学研磨したが、蛍光体層の厚さのばらつきは±５μｍであった。
最後に５×５ｍｍのサイズにダイシング装置で切断して反射型蛍光体素子を作製した。蛍光体素子に３０ｍＷの半導体青色レーザを蛍光体の斜め上方より投射した。このときの内部量子効率は８０％であった。また、色あいムラが生じてしまった。
（実施例３：反射膜が誘電体多層膜であり、反射膜の反対側に部分透過膜がある場合）
図７に示すような蛍光体素子２０を、実施例１と同様にして作製した。
図７に示すような蛍光体素子２０を、実施例１と同様にして作製した。
ただし、蛍光体層１の厚みは５０μｍとし、蛍光体層１の厚さのばらつきは±０．２５μｍ以内であった。次に、蛍光体層の研磨された主面１ａ上に部分透過膜１５を形成した。部分透過膜は誘電体多層膜によって形成した。具体的には、低屈折率層はＳｉＯ２からなり、高屈折率層はＴｉＯ２からなり、低屈折率層と高屈折率層の合計は５層とした。このような誘電体多層膜においては、430nmから470nmの波長範囲にて反射率が20％以上であり、波長450nmの場合、反射率は40％であった。
最後に5×5mmのサイズにダイシング装置で切断して反射型蛍光体素子を作製した。得られた蛍光体素子に３０ｍＷの半導体青色レーザを蛍光体の斜め上方より投射した。このときの内部量子効率は９０％であった。また、色あいムラはなかった。
Claims (5)
- 蛍光体層、
前記蛍光体層上に設けられた反射膜、
前記反射膜上に設けられた反り抑制層、および
前記反り抑制層に直接接合されている支持基板を備えており、
前記蛍光体層に入射する励起光を蛍光に変換し、前記蛍光および前記励起光を前記反射膜で反射して前記蛍光体層から出射させ、
前記反射膜が誘電体多層膜であり、前記反り抑制層の材質の熱膨張係数が、前記誘電体多層膜の構成材料の中で熱膨張係数が最も大きい材料の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする、蛍光体素子。 - 前記蛍光体層が蛍光体ガラスまたは蛍光体単結晶からなることを特徴とする、請求項１記載の素子。
- 前記蛍光体層の前記反射膜とは反対側に、前記励起光を部分的に透過する部分透過膜を備えており、前記励起光が前記部分透過膜を透過した後に前記蛍光体層に入射することを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
- 前記蛍光体層の材質の熱膨張係数を１００としたとき、前記反り抑制層の熱膨張係数が５０〜１５０であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。
- 励起光を発振する光源および蛍光体素子を備える照明装置であって、
前記蛍光体素子が、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であることを特徴とする、照明装置。
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