JP2025106931A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の温度消光を抑制した発光装置を提供する。【解決手段】発光素子と、波長変換部品と、を備え、前記波長変換部品が、単結晶からなる基体と、単結晶を含む波長変換部材とを含み、前記波長変換部材が、蛍光体を含む第一部分と第二部分と第三部分を有し、前記第一部分と前記第二部分とが膜をなし、当該膜と第三部分とが対の層をなしている、発光装置。【選択図】図６

Description

本開示は、発光装置に関する。

従来、発光ダイオードや半導体レーザー素子から放射される励起光を蛍光体材料からなる粒子を含有する発光体に向けて照射し、可視光を出力することが可能な発光装置が、例えば、特許文献１や特許文献２において示されている。

特開２０１８－１０９６７４ 特開２０２２－０３８１０４

蛍光体材料は、励起光の出力を高くしていくと、それに伴いストークスシフト（光子１個当たりのエネルギーの高い波長の短い光を光子１個当たりのエネルギーの低い波長の長い光に変換することによるエネルギーロス）に起因する蛍光体材料の発熱量が増加する。熱が蛍光体材料の内部に蓄積され蛍光体材料の温度が上昇すると、励起光を波長変換する効率が低下する温度消光という現象を起こす。この現象は、蛍光体材料が特に多数の蛍光体結晶粒子が透明な樹脂接合剤により一体化された蛍光体材料において、蛍光体結晶粒子間の熱伝導が蛍光体結晶粒子より熱伝導率の低い樹脂接合剤が蛍光体結晶粒子間に存在することにより邪魔されるので、顕著となる。

また、蛍光体材料が多数の蛍光体結晶粒子の集合体である場合において、粒子間の空隙や粒界の存在は熱伝導を邪魔することとなる。さらに、蛍光体材料が透光性の基体に貼り合わされている場合において、透光性の基体が多数の粒子の集合体であると、蛍光体材料で発生した熱が基体に伝わりその内部を伝導する際に粒子間の空隙や粒界の存在は熱伝導を邪魔することとなる。

本開示の目的は、蛍光体の温度消光を抑制する発光装置を提供することである。

本開示の実施形態に係る発光装置は、発光素子と、波長変換部品と、を備え、前記波長変換部品が、単結晶からなる基体と、単結晶を含む波長変換部材とを含み、前記波長変換部材が、蛍光体を含む第一部分と第二部分を有し、前記第一部分と前記第二部分とが膜をなしている。

蛍光体から発生する熱を蛍光体に接する基体を介した熱伝導による放熱性能を向上して、蛍光体の温度消光を抑制する発光装置を提供することができる。

本開示の第一の実施形態における発光装置の概念図である。 本開示の第一の実施形態における支持台４０上に載置された波長変換部品２０の平面概念図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面概念図である。 第一の実施形態における波長変換部品２０の断面部分拡大概念図である。 本開示の第二の実施形態における発光装置の平面概念図である。 図５のＶＩ－ＶＩ断面概念図である。 第二の実施形態における波長変換部品２０の断面部分拡大概念図である。 本開示の第三の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。 図８のＩＸ－ＩＸ断面概念図である。 本開示の第四の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。 図１０のＸＩ－ＸＩ断面概念図である。 本開示の第五の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。 図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ断面概念図である。

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態において説明する内容は、他の実施の形態にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を容易にするため、誇張していることがある。

（第一の実施形態）
本開示の第一の実施形態における発光装置１００は、図１に示されるように、発光素子１０、発光素子駆動用電源８０、支持台４０上の蛍光体を含む板状の波長変換部品２０、光遮蔽部材５０、光学素子６０、放熱器７０、および筐体９０を備える。光線が破線で表されている。発光装置１００は、発光素子から放射された光が波長変換部品で反射された光と発光素子から放射された光の波長と異なる波長の波長変換部品２０から出る光、とが混合された光を放出する。

（発光素子）
発光素子１０は、例えば、電極を底面と天面に備えている端面発光型ＡｌＩｎＧａＮ系レーザーダイオードで、通電により青色レーザー光（波長４４０ｎｍ）を放射できる。発光素子１０は支持台４０から離れて配置され、その出射光は支持台４０上に載置された波長変換部品２０の励起光として使用される。なお、発光素子１０は、レーザーダイオード（半導体レーザー）に限られず、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、等の固体発光素子が好適に発光素子１０として用いられうる。発光素子１０の数は、一個に限られず、複数であってよい。図１では、発光素子１０は支持台４０から離れて配置されるが、発光素子１０から放射される光が波長変換部品２０に照射できるように、支持台４０上に発光素子１０が配置されてもよい。

（支持台）
支持台４０の材料は、例えば、銅（熱伝導率３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。支持台４０の材料は、銅に限られず、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のような金属材料、あるいは、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮのようなセラミックを主とする材料でもよい。波長変換部品２０の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する材料であることが好ましい。波長変換部品２０からの熱を効率よく外部へ熱を放出するためである。支持台４０は、配線や、冷却水路またはヒートパイプを内部に有してよいし、また、放熱フィン等の放熱器７０に取り付けられてもよい。

（波長変換部品）
支持台４０上に載置された反射型の波長変換部品２０の平面図を図２に示す。図３は、図２の断面概念図である。波長変換部品２０は、発光素子１０から放射された光のすくなくとも一部を励起光として吸収し、励起光の波長と異なる波長の光を放出する。波長変換部品２０は、接合材３０を介して支持台４０の上面に接合されている。図４に、波長変換部品２０の断面部分拡大概念図を示す。板状の波長変換部品２０は、単結晶からなる基体２１と無機単結晶を含む波長変換部材２２とを備える。図４で、波長変換部材２２は、第一の無機蛍光体単結晶２２１と第二の無機蛍光体単結晶２２２を備える。さらに他の実施形態で示される窓材を備えてもよい。反射型の波長変換部品２０において、励起光の入射面と励起光の波長と異なる波長の光を放出する面とは同じ主面となる。図１では、基体２１側の主面が、励起光の入射面であり、励起光の波長と異なる波長の光を放出する面でもある。波長変換部品２０の波長変換部材２２側の主面には、励起光および波長変換された光の反射率を高めるため光学薄膜（図示しない）を備える。

図１では、波長変換部品２０を反射型としたが、他の実施形態で示すように透過型としてもよい。透過型の波長変換部品２０において、励起光の入射面と励起光の波長と異なる波長の光を放出する面とは、対向する異なる主面となる。基体２１側の主面が励起光の入射面となる場合は、波長変換部材２２側の主面が励起光の波長と異なる波長の光を放出する面となり、逆に、波長変換部材２２側の主面が励起光の入射面となる場合は、基体２１側の主面が励起光の波長と異なる波長の光を放出する面となる。波長変換部品２０の主面には、使い方により、励起光および／または波長変換された光の反射率または透過率を高めるため光学薄膜を備えることが好ましい。

波長変換部品２０の側面および底面が平滑であることが光遮蔽部材５０に含まれる光反射部材（図示しない）との界面での光の反射率を高めるので好ましい。波長変換部品２０の側面および支持台４０との接合面となる波長変換部品２０の底面は、光反射部材で覆われている。支持台４０との接合面と対向する波長変換部品２０の天面から、波長変換された光が放出される。

図３では、基体２１が窓材としても機能し、波長変換部品２０の天面が基体２１側の主面である場合、波長変換部品２０の側面および波長変換部材２２側の主面、すなわち波長変換部品２０の底面は、光反射部材で覆われている。波長変換部品２０は、波長変換部材２２側の主面が支持台上に取り付けられて、基体２１側の主面から波長変換された光が放出される。

また、基体２１側の主面が支持台４０との接合面となる場合、波長変換部品２０の側面および基体２１側の主面、すなわち波長変換部品２０の底面は、光反射部材で覆われている。波長変換部品２０は、基体２１側の主面が支持台４０上に取り付けられて、波長変換部材２２側の主面、すなわち波長変換部品２０の天面から波長変換された光が放出される。

（基体）
基体２１は、例えば、板状の透明なイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ））単結晶（主面の面指数（１００）、板厚１５０μｍ）からなる。波長変換部品２０の基体２１側の主面には励起光および／または波長変換された光の透過率を高めるため光学薄膜（図示しない）を備える。図３では、透明ＹＡＧ単結晶を用いるが、コランダム（サファイア、α－Ａｌ_２Ｏ_３）単結晶なども基体２１として使用されうる。

（波長変換部材）
図４では、波長変換部材２２は、例えば、第一の無機蛍光体単結晶２２１であるセリウム（Ｃｅ）ドープされたルテチウムアルミニウムガーネット単結晶膜（Ｃｅ：ＬｕＡＧ結晶膜）（膜厚３０μｍ）と、その上に形成された第二の無機蛍光体単結晶２２２であるユーロピウム（Ｅｕ）ドープされたルテチウムアルミニウムガーネット単結晶膜（Ｅｕ：ＬｕＡＧ結晶膜）（膜厚１０μｍ）とを備える多層膜（膜厚４０μｍ）を有する。なお、無機蛍光体結晶は２種に限られず、２種以上あればよい。

基体２１の透明ＹＡＧ単結晶の熱伝導率（１３．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、波長変換部材２２のＬｕＡＧ単結晶の熱伝導率（８．３Ｗ／（ｍ・Ｋ））より大きい。

波長変換部材２２の蛍光体として、温度上昇により劣化しにくい無機蛍光体結晶が好適に用いられる。波長変換部材２２が単結晶膜からなる場合、空孔や粒界が無いため、多結晶より熱伝導率が大きく機械特性に優れる。無機蛍光体結晶として、例えば希土類アルミン酸塩の結晶があり、化学的および熱的に非常に安定である。下記式（Ｉ）で表される組成を有する。
（Ｌｎ_１－ｎＭ２_ｎ）_３（Ａｌ_１－ｍＭ１_ｍ）_５Ｏ_１２ （Ｉ）
（式（Ｉ）中、Ｌｎは、Ｙ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｇｄ及びＴｂからなる群から選択される少なくとも一種の希土類元素であり、Ｍ１は、Ｇａ及びＳｃから選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ２は賦活成分で、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｃｒから選択される少なくとも一種の元素であり、ｍ、ｎは、それぞれ０≦ｍ≦０．０２、０＜ｎ≦０．１を満たす数である。）

（波長変換部品の作製方法）
無機単結晶の作製方法として液相成長法が知られており、液相成長した無機単結晶のインゴットから基体２１となる透明な無機単結晶の板材や波長変換部材２２に含まれる無機蛍光体単結晶の板材を切り出すことができる。無機単結晶の板材の作製方法は、液相成長法に限られず、気相成長法でもよい。

基体２１となる透明な単結晶の板材と、波長変換部材２２に含まれる無機蛍光体単結晶の板材を直接接合により接合し、所望の厚さに研削研磨して、波長変換部品２０とすることができる。波長変換部材２２に含まれる複数の無機蛍光体単結晶の板材を直接接合により接合することも可能である。直接接合は、例えば、真空中で、蛍光体単結晶の接合面と透明な無機単結晶の接合面にそれぞれアルゴンビームを照射し、その後に、互いの接合面を接触させ、荷重をかけて接合する方法や、各接合面にプラズマを照射して大気中で接合した後に、加熱する方法により行うことができる。

従来の無機蛍光体結晶粒の集合体である無機蛍光体セラミック板を得る方法は、無機蛍光体の粉体原料の準備、粉体の成形、成形体の焼成、焼成体のスライス、焼成板の研磨等の多数の工程を必要とする。

一方、ＷＯ２０２３／０１７８４５記載の化学気相成長法であるレーザーＣＶＤ法によれば、基体２１となる透明な単結晶の板材の上にエピタキシャルに波長変換部材２２に含まれる無機蛍光体結晶膜、特に金属酸化物蛍光体結晶膜を形成することができる。レーザーＣＶＤ法は、成膜速度が速く、偏析係数が大きくなるため液相成長法よりドーパント、すなわちＭ２：Ｃｅ、Ｅｕ、などの賦活成分の濃度を上げることができる。成長時間と原料ガス供給量の制御で薄膜形成が均一に可能で、得られる形状が平板であり、板状の波長変換部品２０としての量産性に優れている。

レーザーＣＶＤ法で、有機金属材料を原料の一部に用いて金属酸化物蛍光体結晶膜、例えば、ＬｕＡＧ結晶膜を成長する場合、Ｌｕ原料ガス（例えば、トリス（ジピバロイルメタナト）ルテチウム蒸気とキャリアガス（例えば、Ａｒガス））とＡｌ原料ガス（例えば、トリス（ジピバロイルメタナト）アルミニウム蒸気とキャリアガスの混合ガス）と酸素ガス（Ｏ_２）の反応室への供給を行いつつ、Ｃｅ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブを閉じてＣｅ原料ガス（例えば、テトラキス（ジピバロイルメタナト）セリウム蒸気とキャリアガスの混合ガス）の反応室への供給を行えば、Ｃｅ：ＬｕＡＧ結晶膜が成長し、Ｃｅ原料ガスの供給を停止し、Ｅｕ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブを開けてＥｕ原料ガス（例えば、テトラキス（ジピバロイルメタナト）ユウロピウム蒸気とキャリアガスの混合ガス）の反応室への供給を開始することで、Ｃｅ：ＬｕＡＧ結晶膜の成長からＥｕ：ＬｕＡＧ結晶膜の成長に容易に切り替えることができる。

（光遮蔽部材および光反射部材）
図３の光遮蔽部材５０の一部であって波長変換部品２０に隣接して配置される光反射部材は、例えば、Ａｇ膜を含む金属多層膜である。波長変換部品２０の底面の金属多層膜と支持台４０とを半田を接合材３０として用いて接合する場合、金属多層膜はバリア層を含み、半田との反応により波長変換部材側の底面での光反射率の低下を防ぐことが好ましい。バリア層は、例えばチタニウム（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）などの金属又は上記材料の合金を含む。

光反射部材として、ＡｇやＡｌなどの金属膜、誘電体多層膜、白色セメント、白色耐熱性無機接着剤、白色樹脂などを用いることができる。光の反射率が高く、熱伝導率の大きな金属膜が好適に光反射部材として使用できる。

光遮蔽部材５０は、発光面とそれ以外の領域とのコントラストを高めるため、暗色の光吸収部材を含んでもよい。

（波長変換部品と支持台との接合）
波長変換部品２０と支持台４０とは、接合材３０を用いて接合することができる。図３において、接合材３０は、２０ｗｔ％ＳｎのＡｕ－Ｓｕ半田である。

Ａｕ－Ｓｕ半田は、２０ｗｔ％Ｓｎ （融点 ２８０℃） と９０ｗｔ％Ｓｎ （融点 ２１７℃） に共晶点を有しており、波長変換部品２０の温度が２００℃程度まで上昇しても接合を保持できるから、好適である。特に２０ｗｔ％ＳｎのＡｕ－Ｓｕ半田は熱伝導率が約５７Ｗ／（ｍ・Ｋ）あるので、波長変換部品２０と支持台４０との接合材３０として好適に使用できる。

また、例えば、微細な金属粒子を含む金属ペーストを焼結した焼結体を接合材３０として接合することができる。微細な金属粒子のサイズは、例えば、ナノサイズおよびミクロンサイズであり、金属粒子は、例えば、銀粒子または銅粒子である。焼結条件を適切にすることで、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する焼結体とすることができる。可視光に対して反射率が銅より銀の方が高いので、銀焼結体がより好ましく接合材として使用できる。

白色耐熱性無機接着剤や白色樹脂は、波長変換部品２０と支持台４０との接合の接合材３０としても用いることができる。

（他の部品）
波長変換部品の主面の外側にレンズ等の光学素子６０や、放熱器７０や電源８０等を冷却するためのファンを備えてもよい。

発光素子駆動用電源への電力の供給は、図示しない商用電源、発電装置、各種電池、等の外部電源から行われる。

（作用と効果）
第一の実施形態における波長変換部材２２が、無機蛍光体単結晶膜を含むので、熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が無機蛍光体単結晶膜内部に無く、無機蛍光体単結晶膜内部の熱伝導が効率よくなされて、無機蛍光体単結晶膜の温度上昇を抑え、励起光を波長変換する効率が低下する温度消光という現象を抑制でき、その結果、発光装置１００の光出力の向上が実現できる。

波長変換部材２２が無機単結晶の板材からなる基体２１に直接接合し、基体２１の熱伝導率は波長変換部材２２の熱伝導率より大きいので、波長変換部材２２の無機蛍光体単結晶膜で発生した熱が基体２１へ移動しやすく、基体２１内部に熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が無く、基体２１内部の熱伝導が波長変換部材２２内部より効率よくなされて、波長変換部材２２の温度上昇を抑え、温度消光現象を抑制でき、その結果、発光装置１００の光出力の向上が実現できる。

波長変換部品２０からの放熱経路となる支持台４０および波長変換部品２０と支持台４０との接合材３０に、波長変換部品２０の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する材料を用いることにより、波長変換部品２０からの放熱性を向上し、波長変換部材２２の温度上昇を抑え、温度消光現象を抑制でき、その結果、発光装置１００の光出力の向上が実現できる。

従来の多数の蛍光体結晶粒子を焼結した板からの出射光は、粒子による散乱により、ランバート配光のような広い配光となりやすい。発光装置から出る光が広い配光を有すると、発光装置から出る光が発光装置から出る光として利用されない光を多く含むことになるため、発光装置から出る光の利用効率が低下する。

本開示の第一の実施形態における無機蛍光体単結晶膜を含む波長変換部材２２内部および無機単結晶の板材からなる基体２１内部では、粒界や空孔が非常に少なく、粒界や空孔による光の散乱を減らし、励起光の広がりが抑制され、輝度の高い発光装置を提供することができる。

波長変換部材２２の単結晶膜が均一で膜厚１００μｍ以下と薄く、波長変換部品の波長変換部材２２側の底面に配置され、金属多層膜を介して支持台４０と接合されているので、励起光が照射されると、励起光が照射される領域内の波長変換部材２２が発熱し、照射領域外では発熱しないが、支持台４０へ速やかに排熱され波長変換部材２２の単結晶膜内に蓄熱されず、かつ、基体２１が波長変換部品２０の機械強度を補強し、支持台４０と強固に接合されていることより、波長変換部材２２の単結晶膜に歪みや割れが生じるという問題は生じない。また、波長変換部材２２の単結晶膜が均一で薄いので、色むらが少なく、発光装置１００から出る光をスクリーンに照射してもイエローリングが生じにくい。

波長変換部材２２が発光波長の異なる２種以上の無機蛍光体単結晶膜、例えば、黄色発光の蛍光体単結晶膜と赤色発光の蛍光体単結晶膜を含むので、演色性の高い照明光を出すことができる。

第一の実施形態において、基体２１が透明ＹＡＧ単結晶、波長変換部材２２がＣｅ：ＬｕＡＧ単結晶膜とＥｕ：ＬｕＡＧ単結晶膜を含む多層膜である場合、基体２１と波長変換部材２２の線膨張係数の差が小さいので、励起光の出力を高くしても波長変換部品２０の発熱が生み出す基体２１と波長変換部材２２との熱膨張の差から生じる反りを抑制できる。

（第二の実施形態）
本開示の第二の実施形態における発光装置２００の平面概念図を図５に、断面概念図を図６に示す。発光装置２００は、図６に示されるように、支持台４０の上面に、発光素子１０と、板状の波長変換部品２０と、および光反射部材を含む光遮蔽部材５０とを備える。発光素子１０の側面と、波長変換部品２０の側面は、光反射部材（図示しない）で覆われている。

図６において、支持台４０は、ＡｌＮセラミックを主とする材料で構成され、発光素子１０の載置領域を備える。具体的には、支持台４０は、ＡｌＮセラミック（熱伝導率１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の板材４１と発光素子１０に電気的に接続される配線４２を有し、配線４２は、上面配線４２１、下面配線４２３、および両者を電気的に接続するビア４２２を備える。さらに、金属部材からなるヒートシンクを有してよい。図６では、支持台４０はＡｌＮセラミックを主とする材料で構成されるが、これに限定されるものではなく、ＳｉＣ、ＳｉＮのような他のセラミックを主とする材料や多結晶ダイヤモンド材で構成されてもよい。

図６において、発光素子１０は、例えば、サファイア基板付のフリップチップ構造のＡｌＩｎＧａＮ系発光ダイオードで、通電により紫外光を放射できる。図６では、発光素子１０は、ＡｌＩｎＧａＮ半導体多層膜の成長基板のサファイア基板を含むものとしているが、これに限定されるものではなく、成長基板を除去したものでもよい。支持台４０の載置領域に対面する電極配置面を発光素子１０は備え、電極配置面に対向する面は、波長変換部品２０の載置面となる。

支持台４０と発光素子１０との接合は、半田等の適当な導電性接着剤や鍍金を用いることができ、また、直接接合によることもできる。

図６では、発光素子１０を１つの発光ダイオードで構成したが、複数の発光ダイオードを並設して発光素子１０としてもよい。

図６の波長変換部品２０の断面部分拡大概念図を図７に示す。波長変換部品２０は、透明ＹＡＧ単結晶の板材からなる基体２１と無機単結晶を含む波長変換部材２２とを備える。波長変換部材２２は第一部分２２３と第二部分２２４と第三部分を有している。第二の実施形態において、第一部分２２３と第二部分２２４は、無機蛍光体単結晶膜である。無機単結晶膜の第一部分２２３と無機単結晶膜の第二部分２２４と無機単結晶膜で窓部材２３となる第三部分はそれぞれ、例えば、基体２１にエピタキシャルに形成されたＥｕ：ＬｕＡＧ単結晶膜とＣｅ：ＬｕＡＧ単結晶膜と透明ＹＡＧ単結晶膜である。無機単結晶膜の第一部分２２３と無機単結晶膜の第二部分２２４は、膜厚方向に並んでおり、蛍光体膜をなしている。第二の実施形態において、第一部分２２３と第二部分２２４からなる蛍光体膜と第三部分とが1対の層を構成している。

波長変換部品２０は、発光素子１０の電極配置面に対向する面に基体２１側の面が接合される。

第二の実施形態において、波長変換部品２０の形状と大きさは、平面視で発光素子１０と略同一である。

図６において、光反射部材を含む光遮蔽部材５０は、誘電体多層膜と白色セメントを備える。なお、光遮蔽部材５０は、他の材料、例えば、白色耐熱性無機接着剤、白色樹脂などを組み合わせて用いることもできる。光遮蔽部材５０はさらに黒色などに着色したセメントや放熱フィラー含有樹脂を外側に備えてもよい。発光時の発光面とのコントラストを高めるためである。

（他の部品）
第二の実施形態において、発光装置２００は、窓部材２３の外側に光拡散板やレンズ等の光学素子や発光素子１０の駆動電源を備えてもよい。

（窓部材の作製方法）
窓部材２３となる透明な単結晶の板材と、無機蛍光体結晶の板材を直接接合して窓構造を有する波長変換部材２２を作製することができる。
気相成長法であるレーザーＣＶＤ法によれば、基体２１となる透明な単結晶の板材の上に無機蛍光体結晶膜と窓部材２３となる透明な単結晶膜を順次エピタキシャルに形成し、波長変換部材２２とすることができる。

（波長変換部品と発光素子との接合）
良好な光透過性と屈折率整合性を有する光路結合用接着剤（図示しない）を用いて、波長変換部品２０と発光素子１０とを接合することができる。
また、直接接合により波長変換部品２０と発光素子１０とを接合することができる。

（作用と効果）
波長変換部材２２が、複数の無機単結晶膜を含むので、熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が各無機単結晶膜内部に無く、波長変換部材２２内部の熱伝導が効率よくなされて、波長変換部材２２の温度上昇を抑え、励起光を波長変換する効率が低下する温度消光という現象を抑制でき、その結果、発光装置２００の光出力の向上が実現できる。

波長変換部材２２の蛍光体結晶膜が無機単結晶の板材からなる基体２１および窓部材２３に直接接合している。基体２１および窓部材２３の熱伝導率は蛍光体結晶膜の熱伝導率より大きいので、蛍光体結晶膜で発生した熱が基体２１および窓部材２３へ移動しやすく、基体２１内部および窓部材２３内部に熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が無く、基体２１内部および窓部材２３内部の熱伝導が蛍光体結晶膜内部より効率よくなされて、蛍光体結晶膜の温度上昇を抑え、温度消光現象を抑制でき、その結果、発光装置２００の光出力の向上が実現できる。

発光装置２００駆動時に、発光素子１０からの励起光照射により蛍光体結晶膜で生ずる熱は、蛍光体結晶膜の側面のみならず、基体２１、窓部材２３を介して支持台４０を含む周囲へ放散される。蛍光体結晶膜の側面から光遮光部材５０を介し支持台４０および周囲の雰囲気へ、基体２１から発光素子１０または光遮光部材５０を介し支持台４０および周囲の雰囲気へ、窓部材２３から周囲の雰囲気へ直接または光遮光部材５０を介し支持台４０および周囲の雰囲気へ放熱される。

また、基体２１の線膨張係数と同じ線膨張係数を有する材料を窓部材２３に用いることにより、波長変換部品２０発熱時の波長変換部品２０の熱膨張による反りを抑制できる。

波長変換部品２０の形状と大きさは、平面視で発光素子１０と略同一であるので、励起光の照射領域が波長変換部材２２全体となり、励起光照射領域と非照射領域との温度差による蛍光体結晶膜に歪みや割れが生じるという問題は生じない。

（第三の実施形態）
本開示の第三の実施形態における発光装置は、波長変換部品２０を除き、第一の実施形態と同様である。

図８は、第三の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。図９は図８の断面概念図である。

図９では、波長変換部品２０は、例えば、透明サファイア単結晶の板材の基体２１とＣｅ：ＹＡＧ単結晶の第一部分２２３およびコランダム構造のα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶の第二部分２２４からなる共晶体膜を含む波長変換部材２２とを備える。図８では、第一部分２２３および第二部分２２４は、基体２１越しに見える。基体２１は、ｍ面あるいはａ面を主面とする。基体２１は波長変換部材２２の第一部分２２３の熱伝導率より大きい熱伝導率を備える。波長変換部材２２の共晶体膜は、共晶体膜の膜厚に垂直なある方向で見た場合に第一部分２２３と第二部分２２４が交互に周期的に並んでいる周期構造を含む。つまり、共晶体膜は、周期的に並ぶα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶からなる柱がＣｅ：ＹＡＧ結晶膜を貫通している構造を有している。共晶体膜内部の周期構造は、二次元スラブ型フォトニック結晶をなしている。波長変換部材２２の第一部分２２３は、励起光の一部を吸収し励起光より波長の長い光を発生する蛍光体結晶を含む。第二部分２２４は、励起光および第一部分２２３で波長変換された光に対して透光性を有することが好ましい。発光装置の発光効率をよくするためである。

（波長変換部品の作製方法）
基体２１となる透明な単結晶の板材の上に気相成長法であるレーザーＣＶＤ法でエピタキシャルに第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１を形成する。電子線リソグラフィーとＲＩＥ等のドライエッチングにより、第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１を貫通する複数の円孔を三角格子状に配置したドットパターンを形成し、ドット状に基体の透明な単結晶を露出させる。再度、レーザーＣＶＤ法で第一部分２２３および第二部分２２４からなる共晶体膜を、第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１のドットパターンを形成した基体２１上に形成する。第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１の上に第一部分２２３が成長し、露出した基体２１の透明な単結晶の上に第二部分２２４が成長し、周期的に並んだドットパターンが共晶体膜に引き継がれ二次元スラブ型フォトニック結晶をなす。

（作用と効果）
波長変換部材２２の第一部分２２３が、無機蛍光体単結晶膜からなるので、熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が第一部分２２３内部に無く、第一部分２２３内部の熱伝導が効率よくなされて、第一部分２２３の温度上昇を抑え、励起光を波長変換する効率が低下する温度消光という現象を抑制でき、その結果、発光装置の光出力の向上が実現できる。

波長変換部材２２の第二部分２２４が、波長変換部材２２の第一部分２２３を貫通し基体２１上に直接配置されるので、波長変換部材２２の第二部分２２４は、第一部分２２３で発生する熱を伝導し、波長変換部材２２から基体２１を介して放熱部品等の外部へ放熱することを助ける。第一部分２２３の熱伝導率と第二部分２２４の熱伝導率とが等しくてもよいが、第一部分２２３の熱伝導率より第二部分２２４の熱伝導率が大きいことが好ましい。第一部分２２３で温度消光が発生することを抑制しやすいからである。

波長変換部材２２の第一部分２２３が無機単結晶の板材からなる基体２１に直接接合し、基体２１の熱伝導率は第一部分２２３の熱伝導率より大きいので、第一部分２２３で発生した熱が基体２１へ移動しやすく、基体２１内部に熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が無く、基体２１内部の熱伝導が波長変換部材２２内部より効率よくなされて、第一部分２２３の温度上昇を抑え、温度消光現象を抑制でき、その結果、発光装置の光出力の向上が実現できる。

具体的には、サファイア単結晶、すなわちコランダム構造のα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶の熱伝導率は約４２Ｗ／（ｍ・Ｋ）あり、ＹＡＧ単結晶の熱伝導率約１３．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）より、大きいので、Ｃｅ：ＹＡＧ結晶膜が１００μｍを超えて厚い場合においても、Ｃｅ：ＹＡＧ結晶膜を貫通しているα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶からなる柱がＣｅ：ＹＡＧ結晶膜で発生する熱を基体に伝導し、ＹＡＧ結晶膜の温度上昇を抑制する。α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶からなる柱はサファイア単結晶の基体２１とエピタキシャルに形成されているので、両者の間に粒界は無く、熱伝導が効率よくなされる。その結果、波長変換部品２０の温度上昇を抑え、温度消光現象を抑制でき、その結果、発光装置の光出力の向上が実現できる。

二次元スラブ型フォトニック結晶をなしている共晶体膜内部の周期構造は、放出光の配光を狭くできるので、正面輝度が向上する。レンズなどの光学素子との光結合率が向上し、発光装置の電力から光への変換効率が向上する。

（第四の実施形態）
本開示の第四の実施形態における発光装置は、波長変換部品２０を除き、第二の実施形態と同様である。

図１０は、第四の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。図１１は、図１０の断面概念図である。

図１０では、波長変換部品２０は、例えば、透明サファイア単結晶の板材の基体２１と波長変換部材２２を備える。波長変換部材２２は、無機蛍光体単結晶の第一部分２２３および無機単結晶の第二部分２２４の共晶体膜とα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶膜の窓部材２３とを備える。例えば、第一部分２２３の無機蛍光体単結晶はＣｅ：ＹＡＧ単結晶で、第二部分２２４の無機単結晶はα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶である。図１０では、波長変換部材２２の第一部分２２３および第二部分２２４は、窓部材２３越しに見える。波長変換部材２２は、周期的に並ぶＣｅ：ＹＡＧ結晶からなる柱（第一部分２２３）がα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶膜（第二部分２２４）を貫通している構造を備えている。基体２１は、ｍ面あるいはａ面を主面とする。基体２１は蛍光体単結晶の熱伝導率より大きい熱伝導率を備え、窓部材２３も蛍光体単結晶の熱伝導率より大きい熱伝導率を備える。第一部分２２３と第二部分２２４とが膜の厚さ方向に垂直なある方向で交互にかつ周期的に並ぶ共晶体として膜をなし、その共晶体膜と第三部分２３からなる1対の層が波長変換部材２２に含まれている。

（波長変換部品の作製方法）
基体２１となる透明な単結晶の板材の上に気相成長法であるレーザーＣＶＤ法でエピタキシャルに第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１を形成する。電子線リソグラフィーとＲＩＥ等のドライエッチングにより、第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１を三角格子のドットパターンを残して除去し基体２１を露出させ、基体２１上に複数の第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１の島からなる三角格子のドットパターンを形成する。再度、レーザーＣＶＤ法で第一部分２２３および第二部分２２４からなる共晶体を、第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１のドットパターンを形成した基体２１上に形成する。第一の無機蛍光体結晶薄膜２２１の上に第一部分２２３が成長し、露出した基体２１の透明な単結晶の上に第二部分２２４が成長し、周期的に並んだドットパターンが共晶体膜に引き継がれ二次元フォトニック結晶をなす。

さらに、窓部材２３となる透明な無機単結晶膜を直接接合または気相成長法であるレーザーＣＶＤ法により、共晶体膜の上に形成することができる。

（作用と効果）
柱状の第一部分２２３は、無機蛍光体単結晶であるので、熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が第一部分内部に無く、第一部分２２３内部の熱伝導が効率よくなされる。

柱状の第一部分２２３で発生する熱は、柱状の第一部分２２３を取り囲む基体２１、第二部分２２４、および窓部材２３を介して外部へ放熱される。基体２１、第二部分２２４、および窓部材２３のいずれもが第一部分２２３の熱伝導率より大きい熱伝導率を備え、いずれの内部に熱伝導を邪魔する粒子間の空隙や粒界が無く、基体２１、第二部分２２４、および窓部材２３の内部の熱伝導が第一部分２２３内部より効率よくなされて、第一部分２２３に蓄熱されて第一部分２２３の温度が過度に上昇することを防ぐことができ、第一部分２２３に含まれる蛍光体結晶の温度消光を抑制できる。

波長変換部材２２の共晶体膜内部の周期構造は、二次元フォトニック結晶をなしている。柱状の第一部分２２３の側面に垂直に進む光の波数がブラッグ反射条件を満たす場合は、その光は共晶体膜内部に存在できない。つまり、波長変換部材２２中に存在する光は、柱状の第一部分２２３の延伸する方向に平行な波数ベクトルを有する。つまり、二次元フォトニック結晶構造を有することで、波長変換部品２０からの光の取出し効率が向上し、放出光の配光を狭くできる。

第一部分２２３の屈折率は、第二部分２２４の屈折率より高い。例えば、第一部分２２３にＣｅ：ＹＡＧ単結晶を用いる場合、その屈折率は１．８２～１．８６となる。例えば、第二部分２２４にα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶を用いる場合、第二部分２２４の屈折率は、１．７６～１．７７である。第一部分２２３と第二部分２２４の境界面で全反射して第一部分２２３の内部を伝搬する光は、柱状の第一部分２２３の端部で単結晶透明サファイアの基体２１またはα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶膜の窓部材２３の中へ放射される。第一部分２２３と第二部分２２４の境界面を通過して第二部分２２４中へ進む光は、スネルの法則に従い、境界面で屈折し窓部材２３側または基体２１側へ進み、波長変換部品２０の側面へ向かう光を減らす。波長変換部品２０の基体２１側の底面で基体２１側へ進む光は、光学薄膜により窓部材２３側へ反射される。そうして、窓部材２３側の天面から出る光の割合を増やし、発光装置の発光効率を良くすることができる。

（第五の実施形態）
本開示の第五の実施形態における発光装置は、波長変換部材２２を除き、第四の実施形態と同様である。

図１２は、第五の実施形態における波長変換部品２０の模式図で、（ａ）は平面概念図、（ｂ）は部分拡大概念図である。図１３は図１２の断面概念図である。

図１１で、波長変換部材２２は、例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ単結晶の第一部分２２３およびα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶の第二部分２２４からなる共晶体膜とα－Ａｌ_２Ｏ_３単結晶膜の第三部分２２５とからなる対の層を１対以上有する。つまり、波長変換部品２０は、基体２１／１番目の共晶体膜／１番目の第三部分２２５／２番目の共晶体膜／２番目の第三部分２２５／３番目の共晶体膜／３番目の第三部分２２５／・・・／ｎ番目の共晶体膜／ｎ番目の第三部分２２５（窓部材２３を兼ねる）（ｎは自然数）の積層体である。第一部分２２３および第二部分２２４からなる共晶体膜内において、膜の厚さ方向に垂直な方向において、第一部分２２３と第二部分２２４とが交互に並んでいる。図１２では、ｎ番目の第一部分２２３およびｎ番目の第二部分２２４は、窓部材２３越しに見える。

第四の実施形態では、単結晶透明サファイアの基体２１は、ｍ面あるいはａ面を主面としたが、第五の実施形態では、単結晶透明サファイアの主面の面方位は、他の面方位でもよい。

（波長変換部品の作製方法）
レーザーＣＶＤ法で、例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ結晶とα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶からなる共晶体膜を成長する場合、Ｙ原料ガス（例えば、トリス（ジピバロイルメタナト）イットリウム蒸気とキャリアガス（例えば、Ａｒガス））とＡｌ原料ガス（例えば、トリス（ジピバロイルメタナト）アルミニウム蒸気とキャリアガスの混合ガス）と酸素ガス（Ｏ_２）の反応室への供給を各原料ガスの供給量制御下で行いつつ、Ｃｅ原料ガス（例えば、テトラキス（ジピバロイルメタナト）セリウム蒸気とキャリアガスの混合ガス）の反応室への供給を行えば、Ｃｅ：ＹＡＧ結晶とα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶からなる共晶体膜が成長し、Ｙ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブとＣｅ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブを同時に閉じれば、Ａｌ原料ガスと酸素ガスの供給が続くので、α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶膜が成長する。再び、Ｙ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブとＣｅ原料容器と反応室をつなぐ配管に設けたバルブを同時に開ければ、共晶体膜が成長し、再び、両バルブを閉じれば、α－Ａｌ_２Ｏ_３結晶膜が成長する。バルブの開閉を所定の回数行うことで、上記の積層体が形成される。なお、第二部分２２４中の第一部分２２３の配置および形状は、第一部分２２３の成長の起点となるＹＡＧ単結晶膜が配置されていないので、自然に任せることとなる。

（作用と効果）
第一部分２２３が三次元に分布することにより、波長変換部材２２内を進む光が、第一部分２２３と第二部分２２４の境界、第一部分２２３と第三部分２３の境界で反射、屈折が繰り返され、光を散乱する効果を波長変換部材２２が備えることとなる。

本開示の発光装置は、照明用や投影機用の光源、自動車、船舶、飛行機等の移動体用の前照灯の光源など、種々の光源に好適に使用することができる。

１０ 発光素子
２０ 波長変換部品
２１ 基体
２２ 波長変換部材
２２１ 第一の無機蛍光体単結晶
２２２ 第二の無機蛍光体単結晶
２２３ 第一部分
２２４ 第二部分
２２５ 第三部分
２３ 窓部材
３０ 接合材
４０ 支持台
４１ セラミックの板材
４２ 配線
４２１ 上面配線
４２２ ビア
４２３ 下面配線
５０ 光遮蔽部材
６０ 光学素子
７０ 放熱器
８０ 発光素子駆動用電源
９０ 筐体
１００、２００ 発光装置

Claims (6)

1. 単結晶からなる基体と、単結晶を含む波長変換部材とを備える波長変換部品であって、
   前記波長変換部材が、単結晶の第一部分と単結晶の第二部分および単結晶膜の第三部分を有し、
   前記第一部分と前記第二部分とが膜をなし、
   前記膜と前記第三部分とからなる対の層を１対以上有する、
   波長変換部品。
2. 前記膜の厚さ方向に前記第一部分と前記第二部分とが並んでいる、
   請求項１に記載の波長変換部品。
3. 前記膜の厚さ方向に垂直な方向に交互に前記第一部分と前記第二部分とが並んでいる、
   請求項１に記載の波長変換部品。
4. 前記第一部分と前記第二部分とが周期的に並んでいる、
   請求項３に記載の波長変換部品。
5. 前記対の層を２対以上有する、
   請求項３に記載の波長変換部品。
6. 励起光を出射する固体発光素子と、
   前記励起光を吸収する請求項１乃至５いずれか１項に記載の波長変換部品とを備える発光装置。