蛍光体粒子、蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置。
【課題】 励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体粒子および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置を提供する。
【解決手段】 励起エネルギーＥeを有する励起光１１を受けて蛍光を発する蛍光体粒子１００であって、バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子１０１とバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層１０２とを含み、Ｅ1＜Ｅ2≦Ｅeの関係を有し、半導体シェル層１０２で半導体コア粒子１０１を被覆することにより半導体コア粒子１０１中にＥ1とＥ2の間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子１００。
【解決手段】 励起エネルギーＥeを有する励起光１１を受けて蛍光を発する蛍光体粒子１００であって、バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子１０１とバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層１０２とを含み、Ｅ1＜Ｅ2≦Ｅeの関係を有し、半導体シェル層１０２で半導体コア粒子１０１を被覆することにより半導体コア粒子１０１中にＥ1とＥ2の間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子からの励起光を受けて発光する蛍光体粒子、蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体中の量子効果によって形成される基底準位間のバンドギャップエネルギーによる蛍光を発する蛍光体を用いた照明装置および表示装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記照明装置または表示装置は、具体的には、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子と、励起子ボーア半径の２倍以下の粒径を有するコア粒子（核粒子）とシェル層（外層）の２層構造を有する蛍光体とを含む照明装置または表示装置である。
【０００４】
さらに、詳しくは、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子としては、サファイア基板上に形成されたＧａxＩｎ1-xＮ（０≦ｘ≦１）／ＧａyＩｎ1-yＮ（０≦ｙ≦１）の対で構成される量子井戸構造の活性層を有するものが用いられている。そして、コア粒子とシェル層の２層構造を有する蛍光体としてはＣｄＳｅ（コア粒子）／ＺｎＳ（シェル層）構造からなり、ＣｄＳｅの粒径を変化させることによって生じる量子効果による基底準位の変化を利用して蛍光の波長（色）の制御を行うものが示されている。
【０００５】
しかし、上記蛍光体は、励起光の吸収効率が必ずしも高くなく、この蛍光体と発光素子とを組み合わせた照明装置または表示装置においては、十分な輝度を得ることができない。また、上記蛍光体は、演色性が乏しい問題があった。
【特許文献１】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】
【０００６】
上記状況を鑑みて、本発明は、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体粒子および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、励起エネルギーＥeを有する励起光を受けて蛍光を発する蛍光体粒子であって、バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子と、半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層を含み、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、半導体シェル層で半導体コア粒子を被覆することにより半導体コア粒子中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子である。
【０００８】
本発明にかかる蛍光体粒子において、上記基底準位間のエネルギーを１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶまたは２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶのいずれかの範囲とすることができる。また、半導体コア粒子はＩｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）およびＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）からなる群から選ばれた１つの半導体であること、または、半導体シェル層はＩｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）およびＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）からなる群から選ばれた１つの半導体であることが好ましい。また、本発明にかかる蛍光体粒子は、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる発光素子からの励起光を受けて発光することができる。
【０００９】
本発明は、上記蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子を含み、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きいことを特徴とする蛍光体粒子分散体である。さらに、本発明にかかる蛍光体粒子分散体は、２以上の蛍光体粒子が媒体中に分散されているものとすることができる。
【００１０】
本発明は、上記の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子とを含む照明装置である。
【００１１】
本発明は、上記の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子と、蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体から発する蛍光および発光素子から発する励起光の少なくとも１つの光の光強度を変調する光強度変調手段を含む表示装置である。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように、本発明によれば、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による蛍光体粒子は、図１を参照して、励起エネルギーＥeを有する励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子１００であって、バンドギャップエネルギーＥ1（伝導帯１０１ｃと価電子帯１０１ｖとの間のバンドギャップエネルギー）を有する半導体コア粒子１０１と、半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2（伝導帯１０２ｃと価電子帯１０２ｖとの間のバンドギャップエネルギー）を有する半導体シェル層１０２とを含み、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、半導体シェル層１０２で半導体コア粒子１０１を被覆することにより半導体コア粒子１０１中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥに基づく蛍光１３を発する蛍光体粒子である。
【００１４】
本実施形態の蛍光体粒子が、励起光の吸収効率が高く輝度が高くなる理由を、従来の蛍光体粒子と対比させて、具体的に説明する。
【００１５】
従来の蛍光体粒子は、たとえば、図２を参照して、半導体コア粒子２０１として１．７ｅＶ程度のバンドギャップエネルギーＥ1を有する直径６〜１０ｎｍ程度のＣｄＳｅコア粒子と、半導体コア粒子２０１を被覆する半導体シェル層２０２として３．８０ｅＶのバンドギャップエネルギーＥ2を有するＺｎＳシェル層とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦１）発光素子が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて、蛍光１３を発する蛍光体粒子である。なお、励起光の一部は、蛍光体粒子表面によって散乱され散乱光１２として反射される。
【００１６】
この従来の蛍光体粒子において、ＺｎＳシェル層でＣｄＳｅコア粒子を被覆することによってＣｄＳｅコア粒子中に形成された基底準位２１１ｃ，２１１ｖ間のエネルギーＥはたとえば１．９ｅＶ（６５０ｎｍ）であり、波長が６５０ｎｍの蛍光１３を発する。なお、図２（ｂ）において、Ｃ．Ｂは伝導帯、Ｖ．Ｂは価電子帯、白丸は電子１４、黒丸は正孔１５を示す。
【００１７】
上記のように、従来の蛍光体粒子においては、ＥeとＥ2とＥとの関係はＥ＜Ｅe＜Ｅ2となり、このようなバンド構造においては、ＣｄＳｅコア粒子内に形成されるエネルギー準位、すなわち励起エネルギーＥeを有する励起光１１を吸収できるエネルギー状態密度は離散的にしか存在せず、このエネルギー準位から少しでも外れると励起光の吸収効率が低下し輝度が低下する。なお、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）において、ＩｎおよびＧａの組成をどのように変化させても、その励起エネルギーＥeは３．３８ｅＶ以下となり、上記と同様にＥe＜Ｅ2となってしまう。
【００１８】
これに対し、本実施形態の蛍光体粒子は、たとえば、図１を参照して、半導体コア粒子１０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1を有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子１０１を被覆する半導体シェル層１０２として２．８０ｅＶ（波長４４２ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2を有するＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。なお、励起光の一部は、蛍光体粒子表面によって散乱され散乱光１２として反射される。
【００１９】
この本実施形態の蛍光体粒子において、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによって、ＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥは、たとえば２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）となり、波長４８０ｎｍの蛍光１３を発する。
【００２０】
上記のように、半導体シェル層であるＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）のＥ2が励起光のＥe以下になるように、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層の元素組成比ｘ２を設定することにより、励起光の大部分を半導体シェル層で吸収することができる。これにより、励起光を吸収し得る体積（半導体シェル層の体積）を増大することができ、蛍光体粒子の輝度が高くなる。
【００２１】
本実施形態は、半導体コア粒子内に形成された基底準位間のエネルギーＥが２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）である青色の蛍光を発する蛍光体粒子の例であるが、半導体コア粒子の粒径ならびに半導体コア粒子または半導体シェル層の構成元素または元素組成比などを調整することにより、上記基底準位間のエネルギーが、１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ（波長６７０ｎｍ〜６００ｎｍ）の赤色の蛍光を発する蛍光体粒子、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶ（波長５４０ｎｍ〜５００ｎｍ）の緑色の蛍光を発する蛍光体粒子、２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶ（波長４８０ｎｍ〜４１０ｎｍ）の青色の蛍光を発する蛍光体粒子を得ることができる。
【００２２】
本実施形態においては、半導体コア粒子としてＩｎＮからなるＩｎＮコア粒子を挙げたが、半導体コア粒子を構成する半導体としては、Ｉｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）またはＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）なども好ましく用いられる。
【００２３】
本実施形態においては、半導体シェル層としてＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）を挙げたが、Ｉｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）またはＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）なども好ましく用いられる。
【００２４】
ここで、半導体コア粒子および半導体シェル層の元素組成比ｘ１、ｙ１、ｚ１１、ｚ１２、ｘ２、ｙ２、ｚ２１は、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦ＥeとなるＥ1およびＥ2が得られるように設定する。また、半導体コア粒子の粒径は、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2とにより、所望のＥが得られるように設定する。
【００２５】
本実施形態において用いられる発光素子は、特に制限はないが、半導体レーザまたは発光ダイオードが、安定したエネルギー（波長）を有する励起光が得られる点から、好ましい。
【００２６】
また、本実施形態の蛍光体粒子の製造方法には特に制限はないが、生成物質の構成元素を含む複数の出発物質を媒体に分散させ、これを反応させて目的の生成物質を得る化学合成法は簡便な手法であり低コストである点から好ましい。化学合成法には、ゾルゲル法(コロイド法)、逆ミセル法、分子プレカーサ法、水熱合成法、フラックス法などが含まれる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体は、上記蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、この蛍光体粒子分散体は、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子を含み、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きい蛍光体粒子分散体である。
【００２８】
さらに、具体的には、図３を参照して、図３（ａ）に示すような、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子が媒体３１００である透明なエポキシ樹脂中に分散された蛍光体粒子分散体３０００であって、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きい蛍光体粒子分散体について説明する。
【００２９】
蛍光体粒子は、基底準位間のエネルギーＥの違いによって、異なる色の蛍光を発するため、たとえば、青色の蛍光を発する青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光を発する緑色の蛍光体粒子および／または赤色の蛍光を発する赤色の蛍光体粒子を所定の割合で媒体に分散させることにより、蛍光色の色度を調整することができる。
【００３０】
たとえば、図３および図４を参照して、蛍光体粒子分散体３０００における青色の蛍光体粒子１００と赤色の蛍光体粒子３００との相互作用について説明する。
【００３１】
青色の蛍光体粒子１００は、半導体コア粒子１０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1Bを有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子１０１を被覆する半導体シェル層１０２として２．８２ｅＶ（波長４４０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2Bを有するＩｎx21Ｇａ1-x21Ｎシェル層（０＜ｘ２１＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。本実施形態における青色の蛍光体粒子において、Ｉｎx21Ｇａ1-x21Ｎシェル層（０＜ｘ２１＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによってＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥBは２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）となり、波長４８０ｎｍの青色の蛍光１３を発する。
【００３２】
また、赤色の蛍光体粒子３００は、半導体コア粒子３０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1Rを有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子３０１を被覆する半導体シェル層３０２として２．７６ｅＶ（波長４５０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2Rを有するＩｎx22Ｇａ1-x22Ｎシェル層（０＜ｘ２２＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。本実施形態における赤色の蛍光体粒子において、Ｉｎx22Ｇａ1-x22Ｎシェル層（０＜ｘ２２＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによってＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位３１１ｃ，３１１ｖ間のエネルギーＥRは２．０３ｅＶ（波長６１０ｎｍ）となり、波長６１０ｎｍの赤色の蛍光１３を発する。
【００３３】
すなわち、励起エネルギー２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）を有する励起光が上記蛍光体粒子分散体に照射されると、この励起光が青色の蛍光体粒子１００および赤色の蛍光体粒子３００のそれぞれに吸収されて、それぞれ、波長４８０ｎｍの青色の蛍光および６１０ｎｍの赤色の蛍光を発する。
【００３４】
上記のように、青色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子において、いずれの蛍光体粒子の半導体シェル層のＥ2B、Ｅ2Rを、いずれの蛍光体粒子の半導体コア粒子に形成される基底準位間のエネルギーＥB、ＥRよりも大きくすることによって、青色の蛍光体粒子からの青色の蛍光が赤色の蛍光体粒子に再吸収されることを抑制することができ、青色および赤色のそれぞれの色度を良好に保つことができる。
【００３５】
上記では青色の蛍光体粒子と赤色の蛍光体粒子との関係について説明したが、青色の蛍光体粒子と緑色の蛍光体粒子との関係および緑色の蛍光体粒子と赤色の蛍光体粒子との関係についても同様である。
【００３６】
すなわち、基底準位が異なる２以上の上記蛍光体粒子を含む蛍光体粒子分散体において、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きくなるように蛍光体粒子を設計することにより、各蛍光体粒子の蛍光の色度が良好で、演色性に優れた蛍光体粒子分散体が得られる。
【００３７】
ところで、上記のように複数の蛍光体粒子を分散させた場合の蛍光の光学特性について、以下に説明する。
【００３８】
図３（ｂ）には、青色の蛍光体粒子１００および赤色の蛍光体粒子３００に、それぞれ励起光１１が照射され、半導体コア粒子の粒径に応じた基底準位間のエネルギーに基づく蛍光１３，３３と、励起光１３が蛍光体粒子表面によって散乱された散乱光１２，３２が発生する様子も示されている。
【００３９】
このような蛍光体粒子における励起光または他の蛍光体粒子から放射された蛍光に対する蛍光体粒子の散乱状態は、散乱角θ方向の強度をＩ（θ）とすると
Ｉ（θ）＝｜Σ(２ν＋１)／ν(ν＋１)｛ａνΠν(cosθ)＋ｂντν(cosθ)｝｜2
ν=１、∞
で表される。ここでａν、ｂνは複素振幅を表す係数で、粒子の屈折率およびサイズ因子（粒子サイズ）の関数である。また、Πν、τνは散乱角のみの関数で、ルジャンドルの多項式およびその導関数である。
【００４０】
このため、各色を発色する蛍光体粒子の粒径がそれぞれ異なる場合には、励起光や他の蛍光体粒子から放射される蛍光の散乱状態が蛍光体粒子の種類毎に異なってしまう。
【００４１】
このとき、蛍光の散乱状態を調整するため、図５で示されるように、蛍光体粒子１００，３００において半導体シェル層１０２，３０２の厚さのみによって調整しようとすると、励起光を吸収する半導体シェル層１０２、３０２の体積が異なってしまい、励起光に対する吸収係数がそれぞれの蛍光体粒子で異なるという問題が生じる。
【００４２】
この問題をするために、半導体コア粒子に形成される基底準位間のエネルギーＥの大きさを調節するためには、半導体シェル層１０２、３０２の厚さだけでなく、半導体コア粒子および／または半導体シェル層の構成元素種、組成比の調整が行われる。すなわち、本実施形態においては、蛍光体粒子分散体に含まれるすべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2を、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥより大きくなるように、半導体コア粒子および／または半導体シェル層の構成元素種および／または組成比を調節する。
【００４３】
（実施形態３）
本発明の実施形態３による照明装置は、図６を参照して、励起エネルギーが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光を発するＩｎx4Ｇａ1-x4Ｎ発光ダイオード（０≦ｘ４≦１）のチップ（図示せず）が実装されているリードフレーム６０１の上部に、２以上の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子を媒体としての透明エポキシ樹脂に分散させた蛍光体粒子分散体６０２が形成された照明装置６００である。ここで、上記蛍光体粒子分散体６０２中に含まれるすべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2を、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥより大きくなるように、すべての蛍光体粒子が設計されているため、各蛍光体粒子の蛍光の混色によって、演色性に優れた白色照明装置となる。なお、上記点状の照明装置をアレイ状に並べることにより面状の照明装置とすることもできる。
【００４４】
（実施形態４）
本発明の実施形態４による照明装置は、図７を参照して、図７（ａ）に示すように、励起エネルギーが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光を発振するＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザ（０≦ｘ５≦１）のチップ（図示せず）が実装されたステム７０１が、樹脂７０７を介して導光体７０８に光学的に結合されている照明装置７００である。
【００４５】
ここで、図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して、上記導光体７０８は、アクリルからなるコア７０２がこのコアより屈折率の低いフッ素系樹脂からなるクラッド７０４によって被覆された構造を有する。また、この導光体７０８の片方の端面にはＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザが、他方の端面には導光体内を伝播する励起光を反射するたとえば酸化シリコンからなる反射膜７０６が形成されている。さらに、上記コア７０２の一部にはＴｉＯ2粒子よりなる散乱体７０３が設けられており、半導体レーザよりこの導光体７０８に入射した励起光はこの散乱体７０３によって周りに拡散される。なお、ＴｉＯ2粒子からなる上記散乱体を用いる構成に換えて、コア７０２とクラッド７０４の界面に凹凸部を設け（図示せず）、この凹凸部を有する界面における乱反射を用いるような構成としてもよい。さらに、上記導光体７０８の外周に、２以上の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子を媒体としての透明エポキシ樹脂に分散させた蛍光体粒子分散体７０５を形成して本照明装置７００の蛍光体層７０９とする。
【００４６】
以上の構成により、演色性に優れた線状の白色蛍光７１０を発する照明装置が得られる。また、蛍光体粒子分散体中の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および／または赤色の蛍光体粒子の混合比を適宜変えることによって白色以外の所望とされる色度を有する照明装置を実現できる。
【００４７】
なお、実施形態３または実施形態４に示す点状または線状の照明装置は、一般家庭における照明装置や、更には液晶のバックライトや液晶プロジェクターの光源としての照明に用いることもできる。
【００４８】
（実施形態５）
本発明の実施形態５による表示装置は、図８を参照して、Ｉｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザ（０≦ｘ５≦１）のチップ（図示せず）が実装されたステム７０１が導光体８１１に光学的に結合され、この導光体８１１が別の導光体８０１に光学的に結合され、導光体８０１の上面部には光強度を変調するための光変調素子８０２を介してそれぞれの色の蛍光体粒子または蛍光粒子分散体を含む素子（具体的には、青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４、赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５）が形成された表示装置８００である。
【００４９】
ここで、導光体８１１は、アクリルからなるコア７０２がこのコアより屈折率の低いフッ素系樹脂からなるクラッド７０４によって被覆され、このクラッド７０４は開口部８１１ａを有する金属Ａｌ膜からなる反射膜８１２によって被覆された構造を有する。このコア７０２の一部にはＴｉＯ2粒子からなる散乱体７０３が形成されている。さらに、この導光体８１１の一方の端面には、Ｉｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザを実装するステム７０１が配置され、他方の端面には、このＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザの光を反射するたとえば酸化シリコンからなる反射膜７０６が形成されている。かかる構成により、点状光源である半導体レーザから放射される励起光が線状光源に変換される。
【００５０】
そして、この導光体８１１は別の導光体８０１に光学的に結合されており、この導光体８１１の開口部８１１ａから放射される線状の励起光がこの導光体８０１に入射される。さらに、この導光体８０１の下面（裏面）側には金属Ａｌ膜からなる反射膜８０６が形成されており、線状の励起光はこの導光体８０１中を伝播しつつ、線状の励起光の一部が反射膜８０６によって上面方向に放射される。かかる構成により、線状の光源が面状の光源に変換される。
【００５１】
この導光体８０１の上面には、光変調素子８０２として放射された励起光の光強度を制御するよう偏光板に挟まれたアクティブマトリクス駆動型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶光変調素子が設けられており、この液晶光変調素子によって光強度が変調される。
【００５２】
光変調素子８０２の上面には、光変調素子上の各画素に対応して、媒体である透明エポキシ樹脂中に各色の蛍光体粒子が分散した蛍光体粒子含有素子（青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４、赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５）が配置されている。このため、光強度が変調された励起光が上記の青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４および赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５に照射されることにより、所望の画像を表示することができる。このようにして、演色性に優れた表示装置が得られる。なお、蛍光体から放射された蛍光の光強度を制御する手段としては、蛍光体より放射される蛍光を光電界吸収効果で吸収するような手段を用いることもできる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上記のように、本発明は、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体粒子および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１による蛍光体粒子の断面模式図である。（ｂ）は本発明の実施形態１による蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図２】（ａ）は従来の蛍光体粒子の断面模式図である。（ｂ）は従来の蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体の立体透視模式図である。（ｂ）は本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子の拡大断面模式図である。
【図４】本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図５】蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子について、半導体シェル層の厚さの調節を説明する断面模式図である。
【図６】本発明の実施形態３による照明装置の立体模式図である。
【図７】（ａ）は本発明の実施形態４による照明装置の立体模式図である。（ｂ）本発明の実施形態４による照明装置のＶＩＩ方向からの断面模式図である。
【図８】（ａ）本発明の実施形態５による表示装置の立体模式図である。（ｂ）本発明の実施形態５による表示装置に用いられる導光体のＶＩＩＩ方向からの断面模色図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１ 励起光、１２，２２，３２ 散乱光、１３，２３，３３ 蛍光、１４ 電子、１５ 正孔、１００，２００，３００ 蛍光体粒子、１０１，２０１，３０１ 半導体コア粒子、１０１ｃ，１０２ｃ，２０１ｃ，２０２ｃ，３０１ｃ，３０２ｃ 伝導帯、１０１ｖ，１０２ｖ，２０１ｖ，２０２ｖ，３０１ｖ，３０２ｖ 価電子帯、１０２，２０２，３０２ 半導体シェル層、１１１ｃ，１１１ｖ，２１１ｃ，２１１ｖ，３１１ｃ，３１１ｖ 基底準位、６００，７００ 照明装置、６０２，７０５，３０００ 蛍光体粒子分散体、７０１ ステム、７０２ コア、７０３ 散乱体、７０４ クラッド、７０６，８０６，８１２ 反射膜、７０７ 樹脂、７０８，８０１，８１１ 導光体、７０９ 蛍光体層、７１０ 白色蛍光、８００ 表示装置、８０２ 光変調素子、８０３ 青色蛍光体粒子含有樹脂、８０４ 緑色蛍光体粒子含有樹脂、８０５ 赤色蛍光体粒子含有樹脂、８１１ａ 開口部、３１００ 媒体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子からの励起光を受けて発光する蛍光体粒子、蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体中の量子効果によって形成される基底準位間のバンドギャップエネルギーによる蛍光を発する蛍光体を用いた照明装置および表示装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記照明装置または表示装置は、具体的には、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子と、励起子ボーア半径の２倍以下の粒径を有するコア粒子（核粒子）とシェル層（外層）の２層構造を有する蛍光体とを含む照明装置または表示装置である。
【０００４】
さらに、詳しくは、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子としては、サファイア基板上に形成されたＧａxＩｎ1-xＮ（０≦ｘ≦１）／ＧａyＩｎ1-yＮ（０≦ｙ≦１）の対で構成される量子井戸構造の活性層を有するものが用いられている。そして、コア粒子とシェル層の２層構造を有する蛍光体としてはＣｄＳｅ（コア粒子）／ＺｎＳ（シェル層）構造からなり、ＣｄＳｅの粒径を変化させることによって生じる量子効果による基底準位の変化を利用して蛍光の波長（色）の制御を行うものが示されている。
【０００５】
しかし、上記蛍光体は、励起光の吸収効率が必ずしも高くなく、この蛍光体と発光素子とを組み合わせた照明装置または表示装置においては、十分な輝度を得ることができない。また、上記蛍光体は、演色性が乏しい問題があった。
【特許文献１】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】
【０００６】
上記状況を鑑みて、本発明は、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体粒子および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、励起エネルギーＥeを有する励起光を受けて蛍光を発する蛍光体粒子であって、バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子と、半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層を含み、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、半導体シェル層で半導体コア粒子を被覆することにより半導体コア粒子中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子である。
【０００８】
本発明にかかる蛍光体粒子において、上記基底準位間のエネルギーを１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶまたは２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶのいずれかの範囲とすることができる。また、半導体コア粒子はＩｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）およびＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）からなる群から選ばれた１つの半導体であること、または、半導体シェル層はＩｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）およびＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）からなる群から選ばれた１つの半導体であることが好ましい。また、本発明にかかる蛍光体粒子は、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる発光素子からの励起光を受けて発光することができる。
【０００９】
本発明は、上記蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子を含み、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きいことを特徴とする蛍光体粒子分散体である。さらに、本発明にかかる蛍光体粒子分散体は、２以上の蛍光体粒子が媒体中に分散されているものとすることができる。
【００１０】
本発明は、上記の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子とを含む照明装置である。
【００１１】
本発明は、上記の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子と、蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体から発する蛍光および発光素子から発する励起光の少なくとも１つの光の光強度を変調する光強度変調手段を含む表示装置である。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように、本発明によれば、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による蛍光体粒子は、図１を参照して、励起エネルギーＥeを有する励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子１００であって、バンドギャップエネルギーＥ1（伝導帯１０１ｃと価電子帯１０１ｖとの間のバンドギャップエネルギー）を有する半導体コア粒子１０１と、半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2（伝導帯１０２ｃと価電子帯１０２ｖとの間のバンドギャップエネルギー）を有する半導体シェル層１０２とを含み、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、半導体シェル層１０２で半導体コア粒子１０１を被覆することにより半導体コア粒子１０１中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、エネルギー準位における基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥに基づく蛍光１３を発する蛍光体粒子である。
【００１４】
本実施形態の蛍光体粒子が、励起光の吸収効率が高く輝度が高くなる理由を、従来の蛍光体粒子と対比させて、具体的に説明する。
【００１５】
従来の蛍光体粒子は、たとえば、図２を参照して、半導体コア粒子２０１として１．７ｅＶ程度のバンドギャップエネルギーＥ1を有する直径６〜１０ｎｍ程度のＣｄＳｅコア粒子と、半導体コア粒子２０１を被覆する半導体シェル層２０２として３．８０ｅＶのバンドギャップエネルギーＥ2を有するＺｎＳシェル層とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦１）発光素子が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて、蛍光１３を発する蛍光体粒子である。なお、励起光の一部は、蛍光体粒子表面によって散乱され散乱光１２として反射される。
【００１６】
この従来の蛍光体粒子において、ＺｎＳシェル層でＣｄＳｅコア粒子を被覆することによってＣｄＳｅコア粒子中に形成された基底準位２１１ｃ，２１１ｖ間のエネルギーＥはたとえば１．９ｅＶ（６５０ｎｍ）であり、波長が６５０ｎｍの蛍光１３を発する。なお、図２（ｂ）において、Ｃ．Ｂは伝導帯、Ｖ．Ｂは価電子帯、白丸は電子１４、黒丸は正孔１５を示す。
【００１７】
上記のように、従来の蛍光体粒子においては、ＥeとＥ2とＥとの関係はＥ＜Ｅe＜Ｅ2となり、このようなバンド構造においては、ＣｄＳｅコア粒子内に形成されるエネルギー準位、すなわち励起エネルギーＥeを有する励起光１１を吸収できるエネルギー状態密度は離散的にしか存在せず、このエネルギー準位から少しでも外れると励起光の吸収効率が低下し輝度が低下する。なお、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）において、ＩｎおよびＧａの組成をどのように変化させても、その励起エネルギーＥeは３．３８ｅＶ以下となり、上記と同様にＥe＜Ｅ2となってしまう。
【００１８】
これに対し、本実施形態の蛍光体粒子は、たとえば、図１を参照して、半導体コア粒子１０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1を有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子１０１を被覆する半導体シェル層１０２として２．８０ｅＶ（波長４４２ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2を有するＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。なお、励起光の一部は、蛍光体粒子表面によって散乱され散乱光１２として反射される。
【００１９】
この本実施形態の蛍光体粒子において、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによって、ＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥは、たとえば２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）となり、波長４８０ｎｍの蛍光１３を発する。
【００２０】
上記のように、半導体シェル層であるＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）のＥ2が励起光のＥe以下になるように、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層の元素組成比ｘ２を設定することにより、励起光の大部分を半導体シェル層で吸収することができる。これにより、励起光を吸収し得る体積（半導体シェル層の体積）を増大することができ、蛍光体粒子の輝度が高くなる。
【００２１】
本実施形態は、半導体コア粒子内に形成された基底準位間のエネルギーＥが２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）である青色の蛍光を発する蛍光体粒子の例であるが、半導体コア粒子の粒径ならびに半導体コア粒子または半導体シェル層の構成元素または元素組成比などを調整することにより、上記基底準位間のエネルギーが、１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ（波長６７０ｎｍ〜６００ｎｍ）の赤色の蛍光を発する蛍光体粒子、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶ（波長５４０ｎｍ〜５００ｎｍ）の緑色の蛍光を発する蛍光体粒子、２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶ（波長４８０ｎｍ〜４１０ｎｍ）の青色の蛍光を発する蛍光体粒子を得ることができる。
【００２２】
本実施形態においては、半導体コア粒子としてＩｎＮからなるＩｎＮコア粒子を挙げたが、半導体コア粒子を構成する半導体としては、Ｉｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）またはＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）なども好ましく用いられる。
【００２３】
本実施形態においては、半導体シェル層としてＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎシェル層（０＜ｘ２＜１）を挙げたが、Ｉｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）またはＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）なども好ましく用いられる。
【００２４】
ここで、半導体コア粒子および半導体シェル層の元素組成比ｘ１、ｙ１、ｚ１１、ｚ１２、ｘ２、ｙ２、ｚ２１は、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2と励起光のＥeとの関係がＥ1＜Ｅ2≦ＥeとなるＥ1およびＥ2が得られるように設定する。また、半導体コア粒子の粒径は、半導体コア粒子のＥ1と半導体シェル層のＥ2とにより、所望のＥが得られるように設定する。
【００２５】
本実施形態において用いられる発光素子は、特に制限はないが、半導体レーザまたは発光ダイオードが、安定したエネルギー（波長）を有する励起光が得られる点から、好ましい。
【００２６】
また、本実施形態の蛍光体粒子の製造方法には特に制限はないが、生成物質の構成元素を含む複数の出発物質を媒体に分散させ、これを反応させて目的の生成物質を得る化学合成法は簡便な手法であり低コストである点から好ましい。化学合成法には、ゾルゲル法(コロイド法)、逆ミセル法、分子プレカーサ法、水熱合成法、フラックス法などが含まれる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体は、上記蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、この蛍光体粒子分散体は、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子を含み、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きい蛍光体粒子分散体である。
【００２８】
さらに、具体的には、図３を参照して、図３（ａ）に示すような、基底準位が異なる２以上の蛍光体粒子が媒体３１００である透明なエポキシ樹脂中に分散された蛍光体粒子分散体３０００であって、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きい蛍光体粒子分散体について説明する。
【００２９】
蛍光体粒子は、基底準位間のエネルギーＥの違いによって、異なる色の蛍光を発するため、たとえば、青色の蛍光を発する青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光を発する緑色の蛍光体粒子および／または赤色の蛍光を発する赤色の蛍光体粒子を所定の割合で媒体に分散させることにより、蛍光色の色度を調整することができる。
【００３０】
たとえば、図３および図４を参照して、蛍光体粒子分散体３０００における青色の蛍光体粒子１００と赤色の蛍光体粒子３００との相互作用について説明する。
【００３１】
青色の蛍光体粒子１００は、半導体コア粒子１０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1Bを有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子１０１を被覆する半導体シェル層１０２として２．８２ｅＶ（波長４４０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2Bを有するＩｎx21Ｇａ1-x21Ｎシェル層（０＜ｘ２１＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。本実施形態における青色の蛍光体粒子において、Ｉｎx21Ｇａ1-x21Ｎシェル層（０＜ｘ２１＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによってＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位１１１ｃ，１１１ｖ間のエネルギーＥBは２．５８ｅＶ（波長４８０ｎｍ）となり、波長４８０ｎｍの青色の蛍光１３を発する。
【００３２】
また、赤色の蛍光体粒子３００は、半導体コア粒子３０１として２．００ｅＶ（波長６２０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ1Rを有するＩｎＮコア粒子と、半導体コア粒子３０１を被覆する半導体シェル層３０２として２．７６ｅＶ（波長４５０ｎｍ）のバンドギャップエネルギーＥ2Rを有するＩｎx22Ｇａ1-x22Ｎシェル層（０＜ｘ２２＜１）とからなり、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ発光素子（０≦ｘ３≦１）が発した励起エネルギーＥeが２．８８ｅＶ（４３０ｎｍ）の励起光１１を受けて蛍光１３を発する蛍光体粒子である。本実施形態における赤色の蛍光体粒子において、Ｉｎx22Ｇａ1-x22Ｎシェル層（０＜ｘ２２＜１）でＩｎＮコア粒子を被覆することによってＩｎＮコア粒子中に形成された基底準位３１１ｃ，３１１ｖ間のエネルギーＥRは２．０３ｅＶ（波長６１０ｎｍ）となり、波長６１０ｎｍの赤色の蛍光１３を発する。
【００３３】
すなわち、励起エネルギー２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）を有する励起光が上記蛍光体粒子分散体に照射されると、この励起光が青色の蛍光体粒子１００および赤色の蛍光体粒子３００のそれぞれに吸収されて、それぞれ、波長４８０ｎｍの青色の蛍光および６１０ｎｍの赤色の蛍光を発する。
【００３４】
上記のように、青色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子において、いずれの蛍光体粒子の半導体シェル層のＥ2B、Ｅ2Rを、いずれの蛍光体粒子の半導体コア粒子に形成される基底準位間のエネルギーＥB、ＥRよりも大きくすることによって、青色の蛍光体粒子からの青色の蛍光が赤色の蛍光体粒子に再吸収されることを抑制することができ、青色および赤色のそれぞれの色度を良好に保つことができる。
【００３５】
上記では青色の蛍光体粒子と赤色の蛍光体粒子との関係について説明したが、青色の蛍光体粒子と緑色の蛍光体粒子との関係および緑色の蛍光体粒子と赤色の蛍光体粒子との関係についても同様である。
【００３６】
すなわち、基底準位が異なる２以上の上記蛍光体粒子を含む蛍光体粒子分散体において、すべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きくなるように蛍光体粒子を設計することにより、各蛍光体粒子の蛍光の色度が良好で、演色性に優れた蛍光体粒子分散体が得られる。
【００３７】
ところで、上記のように複数の蛍光体粒子を分散させた場合の蛍光の光学特性について、以下に説明する。
【００３８】
図３（ｂ）には、青色の蛍光体粒子１００および赤色の蛍光体粒子３００に、それぞれ励起光１１が照射され、半導体コア粒子の粒径に応じた基底準位間のエネルギーに基づく蛍光１３，３３と、励起光１３が蛍光体粒子表面によって散乱された散乱光１２，３２が発生する様子も示されている。
【００３９】
このような蛍光体粒子における励起光または他の蛍光体粒子から放射された蛍光に対する蛍光体粒子の散乱状態は、散乱角θ方向の強度をＩ（θ）とすると
Ｉ（θ）＝｜Σ(２ν＋１)／ν(ν＋１)｛ａνΠν(cosθ)＋ｂντν(cosθ)｝｜2
ν=１、∞
で表される。ここでａν、ｂνは複素振幅を表す係数で、粒子の屈折率およびサイズ因子（粒子サイズ）の関数である。また、Πν、τνは散乱角のみの関数で、ルジャンドルの多項式およびその導関数である。
【００４０】
このため、各色を発色する蛍光体粒子の粒径がそれぞれ異なる場合には、励起光や他の蛍光体粒子から放射される蛍光の散乱状態が蛍光体粒子の種類毎に異なってしまう。
【００４１】
このとき、蛍光の散乱状態を調整するため、図５で示されるように、蛍光体粒子１００，３００において半導体シェル層１０２，３０２の厚さのみによって調整しようとすると、励起光を吸収する半導体シェル層１０２、３０２の体積が異なってしまい、励起光に対する吸収係数がそれぞれの蛍光体粒子で異なるという問題が生じる。
【００４２】
この問題をするために、半導体コア粒子に形成される基底準位間のエネルギーＥの大きさを調節するためには、半導体シェル層１０２、３０２の厚さだけでなく、半導体コア粒子および／または半導体シェル層の構成元素種、組成比の調整が行われる。すなわち、本実施形態においては、蛍光体粒子分散体に含まれるすべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2を、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥより大きくなるように、半導体コア粒子および／または半導体シェル層の構成元素種および／または組成比を調節する。
【００４３】
（実施形態３）
本発明の実施形態３による照明装置は、図６を参照して、励起エネルギーが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光を発するＩｎx4Ｇａ1-x4Ｎ発光ダイオード（０≦ｘ４≦１）のチップ（図示せず）が実装されているリードフレーム６０１の上部に、２以上の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子を媒体としての透明エポキシ樹脂に分散させた蛍光体粒子分散体６０２が形成された照明装置６００である。ここで、上記蛍光体粒子分散体６０２中に含まれるすべての蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2を、すべての蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥより大きくなるように、すべての蛍光体粒子が設計されているため、各蛍光体粒子の蛍光の混色によって、演色性に優れた白色照明装置となる。なお、上記点状の照明装置をアレイ状に並べることにより面状の照明装置とすることもできる。
【００４４】
（実施形態４）
本発明の実施形態４による照明装置は、図７を参照して、図７（ａ）に示すように、励起エネルギーが２．８８ｅＶ（波長４３０ｎｍ）の励起光を発振するＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザ（０≦ｘ５≦１）のチップ（図示せず）が実装されたステム７０１が、樹脂７０７を介して導光体７０８に光学的に結合されている照明装置７００である。
【００４５】
ここで、図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して、上記導光体７０８は、アクリルからなるコア７０２がこのコアより屈折率の低いフッ素系樹脂からなるクラッド７０４によって被覆された構造を有する。また、この導光体７０８の片方の端面にはＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザが、他方の端面には導光体内を伝播する励起光を反射するたとえば酸化シリコンからなる反射膜７０６が形成されている。さらに、上記コア７０２の一部にはＴｉＯ2粒子よりなる散乱体７０３が設けられており、半導体レーザよりこの導光体７０８に入射した励起光はこの散乱体７０３によって周りに拡散される。なお、ＴｉＯ2粒子からなる上記散乱体を用いる構成に換えて、コア７０２とクラッド７０４の界面に凹凸部を設け（図示せず）、この凹凸部を有する界面における乱反射を用いるような構成としてもよい。さらに、上記導光体７０８の外周に、２以上の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および赤色の蛍光体粒子を媒体としての透明エポキシ樹脂に分散させた蛍光体粒子分散体７０５を形成して本照明装置７００の蛍光体層７０９とする。
【００４６】
以上の構成により、演色性に優れた線状の白色蛍光７１０を発する照明装置が得られる。また、蛍光体粒子分散体中の青色の蛍光体粒子、緑色の蛍光体粒子および／または赤色の蛍光体粒子の混合比を適宜変えることによって白色以外の所望とされる色度を有する照明装置を実現できる。
【００４７】
なお、実施形態３または実施形態４に示す点状または線状の照明装置は、一般家庭における照明装置や、更には液晶のバックライトや液晶プロジェクターの光源としての照明に用いることもできる。
【００４８】
（実施形態５）
本発明の実施形態５による表示装置は、図８を参照して、Ｉｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザ（０≦ｘ５≦１）のチップ（図示せず）が実装されたステム７０１が導光体８１１に光学的に結合され、この導光体８１１が別の導光体８０１に光学的に結合され、導光体８０１の上面部には光強度を変調するための光変調素子８０２を介してそれぞれの色の蛍光体粒子または蛍光粒子分散体を含む素子（具体的には、青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４、赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５）が形成された表示装置８００である。
【００４９】
ここで、導光体８１１は、アクリルからなるコア７０２がこのコアより屈折率の低いフッ素系樹脂からなるクラッド７０４によって被覆され、このクラッド７０４は開口部８１１ａを有する金属Ａｌ膜からなる反射膜８１２によって被覆された構造を有する。このコア７０２の一部にはＴｉＯ2粒子からなる散乱体７０３が形成されている。さらに、この導光体８１１の一方の端面には、Ｉｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザを実装するステム７０１が配置され、他方の端面には、このＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ半導体レーザの光を反射するたとえば酸化シリコンからなる反射膜７０６が形成されている。かかる構成により、点状光源である半導体レーザから放射される励起光が線状光源に変換される。
【００５０】
そして、この導光体８１１は別の導光体８０１に光学的に結合されており、この導光体８１１の開口部８１１ａから放射される線状の励起光がこの導光体８０１に入射される。さらに、この導光体８０１の下面（裏面）側には金属Ａｌ膜からなる反射膜８０６が形成されており、線状の励起光はこの導光体８０１中を伝播しつつ、線状の励起光の一部が反射膜８０６によって上面方向に放射される。かかる構成により、線状の光源が面状の光源に変換される。
【００５１】
この導光体８０１の上面には、光変調素子８０２として放射された励起光の光強度を制御するよう偏光板に挟まれたアクティブマトリクス駆動型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を含む液晶光変調素子が設けられており、この液晶光変調素子によって光強度が変調される。
【００５２】
光変調素子８０２の上面には、光変調素子上の各画素に対応して、媒体である透明エポキシ樹脂中に各色の蛍光体粒子が分散した蛍光体粒子含有素子（青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４、赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５）が配置されている。このため、光強度が変調された励起光が上記の青色蛍光体粒子含有樹脂８０３、緑色蛍光体粒子含有樹脂８０４および赤色蛍光体粒子含有樹脂８０５に照射されることにより、所望の画像を表示することができる。このようにして、演色性に優れた表示装置が得られる。なお、蛍光体から放射された蛍光の光強度を制御する手段としては、蛍光体より放射される蛍光を光電界吸収効果で吸収するような手段を用いることもできる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上記のように、本発明は、励起光の吸収効率が高く輝度の高い蛍光体粒子および演色性に優れた蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１による蛍光体粒子の断面模式図である。（ｂ）は本発明の実施形態１による蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図２】（ａ）は従来の蛍光体粒子の断面模式図である。（ｂ）は従来の蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体の立体透視模式図である。（ｂ）は本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子の拡大断面模式図である。
【図４】本発明の実施形態２による蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子のバンド構造図である。
【図５】蛍光体粒子分散体中における２つの蛍光体粒子について、半導体シェル層の厚さの調節を説明する断面模式図である。
【図６】本発明の実施形態３による照明装置の立体模式図である。
【図７】（ａ）は本発明の実施形態４による照明装置の立体模式図である。（ｂ）本発明の実施形態４による照明装置のＶＩＩ方向からの断面模式図である。
【図８】（ａ）本発明の実施形態５による表示装置の立体模式図である。（ｂ）本発明の実施形態５による表示装置に用いられる導光体のＶＩＩＩ方向からの断面模色図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１ 励起光、１２，２２，３２ 散乱光、１３，２３，３３ 蛍光、１４ 電子、１５ 正孔、１００，２００，３００ 蛍光体粒子、１０１，２０１，３０１ 半導体コア粒子、１０１ｃ，１０２ｃ，２０１ｃ，２０２ｃ，３０１ｃ，３０２ｃ 伝導帯、１０１ｖ，１０２ｖ，２０１ｖ，２０２ｖ，３０１ｖ，３０２ｖ 価電子帯、１０２，２０２，３０２ 半導体シェル層、１１１ｃ，１１１ｖ，２１１ｃ，２１１ｖ，３１１ｃ，３１１ｖ 基底準位、６００，７００ 照明装置、６０２，７０５，３０００ 蛍光体粒子分散体、７０１ ステム、７０２ コア、７０３ 散乱体、７０４ クラッド、７０６，８０６，８１２ 反射膜、７０７ 樹脂、７０８，８０１，８１１ 導光体、７０９ 蛍光体層、７１０ 白色蛍光、８００ 表示装置、８０２ 光変調素子、８０３ 青色蛍光体粒子含有樹脂、８０４ 緑色蛍光体粒子含有樹脂、８０５ 赤色蛍光体粒子含有樹脂、８１１ａ 開口部、３１００ 媒体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起エネルギーＥeを有する励起光を受けて蛍光を発する蛍光体粒子であって、
バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子と、前記半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層を含み、
前記半導体コア粒子のＥ1と、前記半導体シェル層のＥ2と、前記励起光のＥeとの関係が、Ｅ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、
前記半導体シェル層で前記半導体コア粒子を被覆することにより前記半導体コア粒子中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、前記エネルギー準位における基底準位間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子。
【請求項２】
前記基底準位間のエネルギーが、１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶまたは２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶのいずれかの範囲にある請求項１に記載の蛍光体粒子。
【請求項３】
前記半導体コア粒子が、Ｉｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）およびＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）からなる群から選ばれた１つの半導体からなる請求項１または請求項２に記載の蛍光体粒子。
【請求項４】
前記半導体シェル層が、Ｉｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）およびＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）からなる群から選ばれた１つの半導体からなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の蛍光体粒子。
【請求項５】
半導体レーザまたは発光ダイオードからなる発光素子からの励起光を受けて発光する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の蛍光体粒子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、
前記基底準位が異なる２以上の前記蛍光体粒子を含み、すべての前記蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての前記蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きいことを特徴とする蛍光体粒子分散体。
【請求項７】
前記２以上の蛍光体粒子が媒体中に分散されている請求項６に記載の蛍光体粒子分散体。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子とを含む照明装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子と、前記蛍光体粒子または前記蛍光体粒子分散体から発する蛍光および発光素子から発する励起光の少なくとも１つの光の光強度を変調する光強度変調手段を含む表示装置。
【請求項１】
励起エネルギーＥeを有する励起光を受けて蛍光を発する蛍光体粒子であって、
バンドギャップエネルギーＥ1を有する半導体コア粒子と、前記半導体コア粒子を被覆するバンドギャップエネルギーＥ2を有する半導体シェル層を含み、
前記半導体コア粒子のＥ1と、前記半導体シェル層のＥ2と、前記励起光のＥeとの関係が、Ｅ1＜Ｅ2≦Ｅeであり、
前記半導体シェル層で前記半導体コア粒子を被覆することにより前記半導体コア粒子中にＥ1とＥ2との間のエネルギーを有する離散的なエネルギー準位が形成され、前記エネルギー準位における基底準位間のエネルギーＥに基づく蛍光を発する蛍光体粒子。
【請求項２】
前記基底準位間のエネルギーが、１．８５ｅＶ〜２．０６ｅＶ、２．２９ｅＶ〜２．４８ｅＶまたは２．５８ｅＶ〜３．０２ｅＶのいずれかの範囲にある請求項１に記載の蛍光体粒子。
【請求項３】
前記半導体コア粒子が、Ｉｎx1Ｇａy1Ａｌ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１≦１）、Ｃｄz11Ｚｎ1-z11Ｓｅ（０＜ｚ１１≦１）およびＣｄz12Ｚｎ1-z12Ｓ（０＜ｚ１２≦１）からなる群から選ばれた１つの半導体からなる請求項１または請求項２に記載の蛍光体粒子。
【請求項４】
前記半導体シェル層が、Ｉｎx2Ｇａy2Ａｌ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２、０＜ｙ２、ｘ２＋ｙ２≦１）およびＣｄy21Ｚｎ1-y21Ｓｅ（０≦ｙ２１＜１）からなる群から選ばれた１つの半導体からなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の蛍光体粒子。
【請求項５】
半導体レーザまたは発光ダイオードからなる発光素子からの励起光を受けて発光する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の蛍光体粒子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の蛍光体粒子を２以上含む蛍光体粒子分散体であって、
前記基底準位が異なる２以上の前記蛍光体粒子を含み、すべての前記蛍光体粒子の半導体シェル層のバンドギャップエネルギーＥ2が、すべての前記蛍光体粒子の半導体コア粒子中に形成される基底準位間のエネルギーＥよりも大きいことを特徴とする蛍光体粒子分散体。
【請求項７】
前記２以上の蛍光体粒子が媒体中に分散されている請求項６に記載の蛍光体粒子分散体。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子とを含む照明装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の蛍光体粒子または蛍光体粒子分散体と、発光素子と、前記蛍光体粒子または前記蛍光体粒子分散体から発する蛍光および発光素子から発する励起光の少なくとも１つの光の光強度を変調する光強度変調手段を含む表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−８３２６０（Ｐ２００６−８３２６０Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６８２０３（Ｐ２００４−２６８２０３）
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【出願人】（５０２２８４２９８）
【出願人】（５０２２８５３０９）
【出願人】（３０３００８６００）
【出願人】（５０２３０７０８１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【出願人】（５０２２８４２９８）
【出願人】（５０２２８５３０９）
【出願人】（３０３００８６００）
【出願人】（５０２３０７０８１）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]