DE112013002508B4 - Wellenlängen-Umwandlungselement, Verfahren zu seiner Herstellung und LED-Element und Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden - Google Patents

Wellenlängen-Umwandlungselement, Verfahren zu seiner Herstellung und LED-Element und Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden Download PDF

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Abstract

Wellenlängen-Umwandlungselement, umfassend:eine Vielzahl von Phosphorpartikeln; undeine Matrix, die sich zwischen der Vielzahl von Phosphorpartikeln befindet und aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung oder einkristallinem Zinkoxid gebildet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Phosphorpartikel enthaltendes Wellenlängen-Umwandlungselement und ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie auf ein LED-Element und ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil, die dieses verwenden.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren kam eine Leuchtdiode (LED) zur Beleuchtung in Gebrauch, und es ist erwünscht, eine LED mit größerer Helligkeit und längerer Lebensdauer zu entwickeln. Herkömmlich wird ein Wellenlängen-Umwandlungselement, das eine Phosphorschicht für eine weiße LED enthält, ausgebildet, indem ein Kunstharzgemisch ausgehärtet wird, in dem Phosphorpartikel mit einem Silikonharz oder dergleichen gemischt sind. Wenn jedoch ein großer Strom durch einen LED-Chip hoher Helligkeit geschickt wird, der in den letzten Jahren im Handel ist, neigt das Silikonharz dazu, sich durch Wärme und Ultraviolettstrahlung hoher Helligkeit zu verschlechtern, die von dem LED-Chip erzeugt werden. Daher muss als eine Matrix zum Bilden einer Phosphorschicht, in der Phosphorpartikel dispergiert sind, eine Matrix verwirklicht werden, die keinen organischen Stoff, wie etwa ein Silikonharz, das dazu neigt, sich durch Wärme und Ultraviolettstrahlung hoher Helligkeit zu verschlechtern, sondern eine anorganische Substanz verwendet, der weniger dazu neigt, sich durch Wärme und Ultraviolettstrahlung hoher Helligkeit zu verschlechtern.
  • Die Patentschrift 1 offenbart eine Phosphorschicht, in der, um die Wärmebeständigkeit und die Beständigkeit eines Silikonharzes gegen Ultraviolettstrahlung zu verbessern, Phosphorpartikel, die Ceroxid als wärmebeständiges Material tragen, im Silikonharz dispergiert sind.
  • Die Patentschrift 2 beschreibt, dass ein Phosphor für eine LED, wie etwa ein Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (YAG-Phosphor) oder ein Terbium-Aluminium-Granat-Phosphor (TAG-Phosphor) einen hohen Brechungsindex von 1,8 oder mehr aufweist, und dass in einer LED gewöhnlich der Phosphor in einem Silikonharz mit einem Brechungsindex von 1,4 eingebettet wird, um eine Phosphorschicht zu bilden, und somit aufgrund der Brechungsindexdifferenz (0,4) zwischen dem Brechungsindex des Phosphors (1,8) und dem Brechungsindex des Silikonharzes (1,4) ein beträchtlicher Lichtanteil an einer Grenzfläche zwischen dem Phosphor und dem Kunstharz in der Phosphorschicht gestreut wird.
  • Die Patentschrift 3 offenbart eine Technik, bei der, nachdem unter Verwendung von Elektrophorese eine Phosphorpartikelschicht auf einem Substrat aus einer Lösung ausgebildet ist, in der Phosphorpartikel dispergiert sind, eine lichtdurchlässige Substanz, die eine anorganische Substanzmatrix sein soll, unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens in Hohlräume in der Phosphorpartikelschicht gefüllt wird. Es ist offenbart, dass die lichtdurchlässige Substanz vorzugsweise Glas ist und eine Substanz ist, die sich in einem Glaszustand befindet und Licht durchlässt. Weiter sind als Kombinationen von Phosphorpartikeln und einer anorganischen Matrix, Beispiele, wie etwa ein Ca-αSiAlON:Eu-Phosphor (Brechungsindex 1,9) und Siliziumdioxid (Brechungsindex 1,45), ein YAG-Phosphor (Brechungsindex 1,8) und Zinkoxid (Brechungsindex 1,95), offenbart.
  • Die Patentschrift 4 offenbart, dass, wenn ein Hohlraum, in dem Phosphorpartikel und ein lichtdurchlässiges Material, das eine Matrix sein soll, nicht vorhanden sind, in einer Phosphorschicht verursacht ist, das Vorhandensein eines solchen Hohlraums Licht aus der LED und Licht aus dem Phosphor abschwächt.
  • Die Patentschrift 5 offenbart, dass der Brechungsindex eines Phosphors, dessen Zusammensetzung CaAlSiN3: Eu2+ ist, 2,0 beträgt, und der Brechungsindex eines Phosphors, dessen Zusammensetzung CaSc2O4:Ce3+ ist, 1,9 beträgt.
  • Die kein Patent betreffende Schrift Nr. 1 offenbart, dass SiAlON, das verbreitet als Phosphorpartikel in einer LED verwendet wird, einen Brechungsindex in einem Bereich von 1,855 bis 1,897 aufweist, abhängig von seiner Zusammensetzung.
  • Literaturverzeichnis
  • Patentliteratur
    • Patentschrift 1: Internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 2011/ 111 293 A1
    • Patentschrift 2: Japanische Patentübersetzungsveröffentlichung Nr. JP 2011- 503 266 A (insbesondere Abschnitt 0002)
    • Patentschrift 3: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. JP 2011- 168 627 A (insbesondere Abschnitt 0028 und Abschnitt 0032)
    • Patentschrift 4: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. JP 2008- 66 365 A (insbesondere Abschnitt 0003)
    • Patentschrift 5: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. JP 2011- 111 506 A (insbesondere Abschnitt 0027)
  • Kein Patent betreffende Literatur
  • Kein Patent betreffende Schrift 1: Hiroyo Segawa et al.: Fabrication of glasses of dispersed yellow oxynitride phosphor for white light emitting diodes. Optical Matererials, Vol.33, 2010, Issue 2, S.170-175
    Kein Patent betreffende Schrift 2: Mingsong Wang et al.: Influence of annealing temperature on the structural and optical properties of sol-gel prepared ZNO thin films. Phys. Stat. Sol. (a), Vol.203,2006, Issue 10, S.2418-2425
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Es ist erforderlich, dass ein herkömmliches Wellenlängen-Umwandlungselement für ein Licht emittierendes Element höhere optische Ausgangsleistung, höhere Wärmebeständigkeit und höhere Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung aufweist. Nicht einschränkende und beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung schaffen ein Wellenlängen-Umwandlungselement mit einer hohen optischen Ausgangsleistung, hoher Wärmebeständigkeit, hoher Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung, ein Verfahren zu seiner Herstellung und ein LED-Element und ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil, die dieses verwenden.
  • Lösung der Aufgabe
  • Ein Wellenlängen-Umwandlungselement nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine Vielzahl von Phosphorpartikeln; und eine Matrix, die sich zwischen der Vielzahl von Phosphorpartikeln befindet und aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung oder einkristallinem Zinkoxid ausgebildet ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß einer in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Technik ist durch Verwendung von Zinkoxid, das eine anorganische Matrix mit hohem Brechungsindex, hoher Wärmebeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung ist, Lichtstreuung in einer Phosphorschicht verringert. Somit können das LED-Element, das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil und die Phosphorschicht mit hoher optischer Ausgangsleistung verwirklicht sein.
  • Figurenliste
    • [1] 1 ist eine Schnittansicht eines Wellenlängen-Umwandlungselements in der Ausführungsform 1.
    • [2] Die 2(a) bis 2(c) sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Wellenlängen-Umwandlungselements in Ausführungsform 1 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
    • [3] 3 ist eine Schnittansicht, die einen Kristallzüchtungsvorgang von Zinkoxid unter Verwendung von Lösungszüchtung darstellt.
    • [4] 4 ist eine Schnittansicht eines Wellenlängen-Umwandlungselements in der Ausführungsform 2.
    • [5] Die 5(a) bis 5(c) sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Wellenlängen-Umwandlungselements in Ausführungsform 2 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
    • [6] Die 6(a) und 6(b) sind Schnittansichten bzw. eine Draufsicht einer zweidimensionalen periodischen Struktur eines Wellenlängen-Umwandlungselements in Ausführungsform 3.
    • [7] Die 7(a) bis 7(g) sind Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Wellenlängen-Umwandlungselements in Ausführungsform 3 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
    • [8] Die 8(a) und 8(b) sind Draufsichten, die andere Modi der zweidimensionalen periodischen Struktur des Wellenlängen-Umwandlungselements in Ausführungsform 3 darstellen.
    • [9] Die 9(a) und 9(b) sind Schnittansichten eines Wellenlängen-Umwandlungselements bzw. eines LED-Elements in Ausführungsform 4.
    • [10] Die 10(a) und 10(b) sind jeweils Schnittansichten von LED-Elementen in Ausführungsform 5.
    • [11] Die 11(a) und 11(b) sind jeweils Schnittansichten von anderen LED-Elementen in Ausführungsform 5.
    • [12] Die 12(a) und 12(b) sind jeweils Schnittansichten von LED-Elementen in Ausführungsform 6.
    • [13] 13 ist eine Schnittansicht eines Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils in der Ausführungsform 7.
    • [14] 14(a) ist eine Schnittansicht eines Farbrads in Ausführungsform 8, und 14(b) ist eine Draufsicht des Farbrads in Ausführungsform 8.
    • [15] 15 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Lichtquellenteils einer Projektorvorrichtung in Ausführungsform 8 darstellt.
    • [16] Die 16(a) und 16(b) sind Ansichten, die Aufbauten eines Fahrzeugs bzw. eines Frontscheinwerfers in Ausführungsform 9 darstellen.
    • [17] 17 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (XRD-Messung, 2θ/ω-Abtastung) eines Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 1 zeigt.
    • [18] 18 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (XRD-Messung, 2θ/ω-Abtastung) eines Wellenlängen-Umwandlungselements in Vergleichsbeispiel 3 zeigt.
    • [19] 19 ist eine Fotografie eines unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) beobachteten Bildes eines Schnitts durch eine Phosphorschicht in Beispiel 1.
    • [20] 20(a) ist eine Fotografie eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch die Phosphorschicht um eine Grenzfläche zu einem Substrat in Beispiel 1, und 20(b) ist eine Fotografie eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch die Phosphorschicht um die Mitte in Beispiel 1.
    • [21] 21 ist eine Kurve, die das Ergebnis der Messung von Emissionsspektren von LED-Elementen in Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
    • [22] 22 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 1 zeigt.
    • [23] Die 23 sind Fotografien eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch eine Phosphorschicht, die unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) bearbeitet ist. 23(a) stellt eine Phosphorschicht in Beispiel 2 dar, und 23(b) stellt die Phosphorschicht in Beispiel 1 dar.
    • [24] Die 24 sind Schnittansichten, die einen Kristallzüchtungsvorgang von Zinkoxid unter Verwendung von Lösungszüchtung in einer Phosphorpartikelschicht darstellen. 24(a) stellt einen Fall dar, bei dem die Neigung der c-Achse des Zinkoxids in einer Phosphorschicht groß ist, und 24 (b) stellt einen Fall dar, bei dem die Neigung der c-Achse des Zinkoxids in der Phosphorschicht klein ist.
    • [25] 25 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ)/ω-Abtastung) eines Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 5 zeigt.
    • [26] 26 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) auf einer Seite des größeren Winkels des Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 5 zeigt.
    • [27] 27 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 5 zeigt.
    • [28] 28 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (Φ-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 5 zeigt.
    • [29] 29 ist eine Fotografie eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch eine Phosphorschicht in Beispiel 5.
    • [30] 30 ist eine Fotografie eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch die Phosphorschicht um die Mitte in Beispiel 5.
    • [31] 31 ist eine Fotografie eines unter einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) beobachteten Bildes eines Schnitts durch die Phosphorschicht in Beispiel 5.
    • [32] 32 ist eine Fotografie eines Bildes einer Elektronenbeugung unter einem TEM in einem in 31 gezeigten Bereich.
    • [33] 33 ist eine Kurve, die das Ergebnis der Messung von Emissionsspektren von LED-Elementen in Beispiel 5, Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 4 zeigt.
    • [34] 34 ist eine Kurve, die das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω)-Abtastung) eines Wellenlängen-Umwandlungselements in Beispiel 6 zeigt.
    • [35] 35 ist eine Fotografie eines unter einem REM beobachteten Bildes eines Schnitts durch eine Phosphorschicht um eine Grenzfläche zu einem Substrat in Beispiel 6.
    • [36] 36 ist eine Kurve, die das Ergebnis der Messung von Emissionsspektren von LED-Elementen in Beispiel 6 bzw. Vergleichsbeispiel 5 zeigt.
    • [37] Die 37 sind Kurven, die das Ergebnis der Messung von Emissionsspektren von Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteilen in Beispiel 7 bzw. Vergleichsbeispiel 6 zeigen. 37(a) ist eine vergrößerte Kurve um Anregungslicht aus Halbleiterlaserchips, und 37(b) eine vergrößerte Kurve um Fluoreszenz, die durch Anregungslicht angeregt ist.
    • [3 8] Die 38 sind Kurven, die das Ergebnis der Messung von Emissionsspektren von Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteilen in Beispiel 8 bzw. Vergleichsbeispiel 7 zeigen. 38(a) ist eine vergrößerte Kurve um Anregungslicht aus Halbleiterlaserchips, und 38(b) ist eine vergrößerte Kurve um Fluoreszenz, die durch Anregungslicht angeregt ist.
    • [39] 39 ist eine Kurve, die das Ergebnis der Messung von Transmissionsspektren von Zinkoxidschichten auf einem Glassubstrat bzw. auf einem Saphirsubstrat zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Zuerst sind Probleme genau beschrieben, auf die die Erfinder der vorliegenden Anmeldung stießen.
  • In einer Phosphorschicht, die Phosphorpartikel und eine Matrix, wie etwa ein Silikonharz zum Dispergieren der Phosphorpartikel darin enthält, wird aufgrund der Brechungsindex-Differenz (0,4 bis 0,6) zwischen dem Brechungsindex eines Phosphors, der gewöhnlich für eine LED verwendet wird (1,8 bis 2,0), und dem Brechungsindex des Silikonharzes (1,4), das als Matrix dienen soll, Licht an einer Grenzfläche zwischen den Phosphorpartikeln und der Matrix gestreut. Daher kann Licht nicht effizient nach außen gebracht werden.
  • Weiter wurde, um eine Phosphorschicht zu verwirklichen, die hervorragende Wärmebeständigkeit und Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung aufweist, ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem als die Matrix zum Ausbilden der Phosphorschicht eine Matrix verwendet wird, die keine organische Substanz, wie etwa ein Silikonharz mit niedriger Wärmebeständigkeit und niedriger Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung verwendet, sondern Glas als eine anorganische Substanz mit hoher Wärmebeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung (siehe zum Beispiel Patentschrift 3).
  • Glas befindet sich im Glaszustand (amorphen Zustand) und weist somit keine Korngrenze auf. Daher wird, wenn Glas als anorganische Matrix verwendet wird, Lichtstreuung aufgrund einer Korngrenze in der anorganischen Matrix in der Phosphorschicht nicht verursacht. Weiter ist Glas nicht kristallin und ist ein amorphes Material, und somit weist Glas, wenn es als anorganische Matrix verwendet wird, einen hohen Freiheitsgrad in der Form auf. Zum Beispiel gibt es niedrig schmelzendes Glas, das schmilzt, wenn es auf eine niedrige Temperatur erwärmt wird, und seine Form frei verändern kann, sowie flüssiges Glas, das sich bei Raumtemperatur in einem flüssigen Zustand befindet und verfestigt werden kann, indem es erwärmt wird.
  • Wenn jedoch, um die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Phosphor und der Matrix zu verringern, Zinkoxid mit einem Brechungsindex (2,0), der höher ist als derjenige von Glas (Brechungsindex 1,45), als anorganische Matrix verwendet wird, ist Zinkoxid kristallin, und somit wird eine Korngrenze ausgebildet. Zum Beispiel ist durch ein Sol-Gel-Verfahren ausgebildetes Zinkoxid eine Aggregation von Mikrokristallen und ein Polykristall mit zufälligen Orientierungen (siehe zum Beispiel kein Patent betreffende Schrift 2). Wenn ein Polykristall mit zufälligen Orientierungen in der Phosphorschicht ausgebildet ist, werden Licht aus einem LED-Chip und Licht aus dem durch den LED-Chip angeregten Phosphor an der Korngrenze gestreut. Solche Streuung ist nachstehend als Lichtstreuung in der Phosphorschicht bezeichnet. Wenn die Lichtstreuung in der Phosphorschicht verursacht ist, kehrt in der Phosphorschicht gestreutes Licht zum LED-Chip, zu einem Gehäuse zum Befestigen des LED-Chips und dergleichen zurück, um darin absorbiert zu werden, was ein großes Problem verursacht, indem der Anteil des Lichts, das nach außen gebracht wird, verringert ist.
  • Weiter ist, wenn ein Hohlraum in der Phosphorschicht verbleibt, der Hohlraum gewöhnlich mit Luft gefüllt. Der Brechungsindex von Luft beträgt 1,0, was sich beträchtlich von dem Brechungsindex eines Phosphors, der gewöhnlich für eine LED verwendet wird (1,8 bis 2,0), und dem Brechungsindex des Silikonharzes (1,4) unterscheidet. Daher erhebt sich auch ein Problem, dass aufgrund der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Phosphor und der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Hohlraum und der Matrix Licht in der Phosphorschicht gestreut wird.
  • Wenn ein Silikonharz als Matrix in der Phosphorschicht verwendet wird, kann die Phosphorschicht durch Vergießen des LED-Chips mit einem Gemisch, in dem zuvor Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert sind, und durch Aushärten des Gemisches durch Erwärmen ausgebildet werden. In diesem Fall kann das Gemisch vor dem Erwärmen verformt werden, und somit kann durch Ausbilden der Phosphorschicht, nachdem ein Arbeitsgang, wie etwa Entschäumen, ausreichend ausgeführt ist, ein Hohlraum, der in der Phosphorschicht verbleibt, unterdrückt werden.
  • Wenn andererseits eine Matrix aus einer anorganischen Substanz, deren Form durch Gießen oder dergleichen schwierig frei zu steuern ist, als Phosphorschicht verwendet wird, wird zuvor eine aus Phosphorpartikeln gebildete Phosphorpartikelschicht ausgebildet. Dann wird eine durch Lösen eines Rohmaterials (oder eines Vorläufers) der anorganischen Matrix in einem Lösungsmittel gebildete Rohmateriallösung in einen Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht gefüllt, um die anorganische Matrix aus der Rohmateriallösung auszubilden.
  • In diesem Fall wird die anorganische Matrix durch Verflüchtigen des Lösungsmittels in der Rohmateriallösung ausgebildet. Daher ist (1), wenn das Umwandlungsverhältnis aus der Rohmateriallösung in die anorganischen Matrix pro Volumen klein ist, das Volumen der in dem Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht umgewandelten anorganischen Matrix kleiner als das Volumen der in den Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht gefüllten Rohmateriallösung, und somit muss sich ein Hohlraum in der Phosphorschicht bilden. (2) Wenn zum Zweck, das Umwandlungsverhältnis aus der Rohmateriallösung in die anorganischen Matrix pro Volumen zu erhöhen, die Konzentration des Rohmaterials (oder des Vorläufers) erhöht wird, erhöht sich die Viskosität der Rohmateriallösung, und es wird schwierig, den Hohlraum in der Phosphorpartikelschicht mit der Rohmateriallösung zu imprägnieren. Als Ergebnis gelangt die Rohmateriallösung nicht in jeden Teil des Hohlraums in der Phosphorpartikelschicht, und ein Hohlraum muss sich in der Phosphorschicht bilden.
  • Zinkoxid kann auch durch Vakuumabscheidung, wie etwa Elektronenstrahl-Abscheidung, reaktive Plasmaabscheidung, Sputtern oder gepulste Laserabscheidung ausgebildet werden. Jedoch ist es schwierig, für den Zweck des Ausbildens der Phosphorschicht durch Vakuumabscheidung gebildetes Zinkoxid zu veranlassen, einen Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht zu erreichen.
  • Wie oben beschrieben, sind Verwenden von Zinkoxid, das einen hohen Brechungsindex aufweist, aber einen niedrigen Freiheitsgrad in der Form aufweist und kristallin ist, als die anorganische Matrix in der Phosphorschicht und kein Ausbilden einer Korngrenze oder eines Hohlraums in der Phosphorschicht einander widersprüchlich.
  • Angesichts dieser Probleme sind die Erfinder der vorliegenden Anmeldung zu einem neuartigen Wellenlängen-Umwandlungselement, einem Verfahren zu seiner Fertigung und einem LED-Element und einem Halbleiterlaser-Bauteil gelangt, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden.
  • In einem Wellenlängen-Umwandlungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine dünne Schicht aus Zinkoxid (ZnO-Unterschicht) auf einem Substrat gebildet, und eine aus Phosphorpartikeln gebildete Phosphorpartikelschicht wird auf der ZnO-Unterschicht ausgebildet. Weiter werden Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid gefüllt, das als Matrix in einer c-Achsen-Orientierung von der ZnO-Unterschicht aus kristallgezüchtet wird.
  • Zinkoxid, das die Matrix bildet, weist eine Wurtzit-Kristallstruktur auf. Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung bedeutet, dass eine Ebene davon, die parallel zum Substrat liegt, eine c-Ebene ist. Weiter enthält gemäß der vorliegenden Erfindung ein Substrat nicht nur ein so genanntes Substrat, wie etwa ein Glas-Substrat, ein Saphir-Substrat, ein Galliumnitrid-Substrat (GaN-Substrat), sondern auch ein Licht emittierendes Halbleiterelement, ein Substrat eines Licht emittierenden Halbleiterelements, eine Oberfläche einer darauf ausgebildeten dünnen Schicht, eine Hauptebene der Phosphorschicht und dergleichen.
  • Zinkoxid, das in der c-Achsen-Orientierung kristallgezüchtet wird, wird zu säulenförmigen Kristallen, und die Anzahl der Korngrenzen in der c-Achsen-Richtung ist klein. Weiter wird Zinkoxid in der c-Achsen-Richtung von der ZnO-Unterschicht in der c-Achsen-Orientierung aus kristallgezüchtet, die auf dem Substrat ausgebildet ist, und somit können säulenförmige Kristalle mit nur einer kleinen Anzahl an Korngrenzen in einer Richtung des aus dem LED-Chip austretenden Lichts, die senkrecht zum Substrat steht, angeordnet werden. Daher kann Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden. Die säulenförmigen Kristalle in der c-Achsen-Orientierung bedeuten, dass das Wachstum von Zinkoxid in der c-Achsen-Richtung schneller ist als Wachstum von Zinkoxid in einer a-Achsen-Richtung, und dass Zinkoxid-Kristallite, die der Länge nach lang sind, bezüglich des Substrats ausgebildet sind. Ein Kristallit bedeutet einen minimalen Bereich, der als einzelner Kristall in einem Polykristall betrachtet werden kann.
  • Weiter können durch Verwenden einer dünnen Schicht aus einkristallinem Zinkoxid, das epitaktisch als die ZnO-Unterschicht gewachsen ist, Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit einer Matrix ausgefüllt werden, die aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet wird, das epitaktisch von der ZnO-Unterschicht aus gezüchtet wird. Einkristallines Zinkoxid, das epitaktisch gezüchtet ist, weist nur eine wesentlich geringe Anzahl von Korngrenzen auf, und somit wird Lichtstreuung aufgrund von Korngrenzen im Zinkoxid nicht verursacht.
  • Bei einem Verfahren zum Füllen von Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht mit der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildeten Matrix wird Lösungszüchtung verwendet. Bei der Lösungszüchtung kann Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung unter Verwendung einer Zn-Ionen enthaltenden Lösung als Rohmateriallösung und unter Verwendung der ZnO-Unterschicht als Kristallkeim, der ein Kern des Kristallwachstums des Zinkoxids werden soll, gezüchtet werden. Die Rohmateriallösung ist eine verdünnte wässerige Lösung, und somit ist ihre Viskosität niedrig. Daher kann die Rohmateriallösung mit Leichtigkeit Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht erreichen. Weiter kann die Kristallzüchtungsreaktion von Zinkoxid unter einem Zustand veranlasst werden, in dem das Substrat mit der darauf ausgebildeten Phosphorpartikelschicht in die Rohmateriallösung getaucht ist. Außerdem besteht das Rohmaterial zum Züchten von Zinkoxid aus Zn-Ionen, und somit diffundieren, wenn Zn-Ionen durch das Kristallwachstum von Zinkoxid verbraucht werden, Zn-Ionen aus der Rohmateriallösung außerhalb der Phosphorpartikelschicht, um mit Leichtigkeit das Innere der Phosphorpartikelschicht zu erreichen. Daher kann Bildung eines Hohlraums in den Zwischenräumen zwischen den Phosphorpartikeln aufgrund von Mangel an Rohmaterial unterdrückt werden. Weiter wird, wie im Folgenden beschrieben, bei der Lösungszüchtung Zinkoxid nicht von einer Oberfläche des Phosphors aus kristallgezüchtet, sondern von der ZnO-Unterschicht aus, und somit ist ein Hohlraum nicht in der Phosphorschicht begrenzt, und ein Hohlraum in der Phosphorschicht kann unterdrückt werden.
  • Eine Zusammenfassung eines Wellenlängen-Umwandlungselements, eines Verfahrens zu seiner Herstellung und eines LED-Elements und eines Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lautet wie folgt.
  • Ein Wellenlängen-Umwandlungselement nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: eine Vielzahl von Phosphorpartikeln; und eine Matrix, die sich zwischen der Vielzahl von Phosphorpartikeln befindet und aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung oder einkristallinem Zinkoxid ausgebildet ist.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement kann eine Phosphorschicht enthalten, die die Vielzahl von Phosphorpartikeln und die Matrix enthält.
  • Eine volle Breite beim halben Maximum einer c-Achse des Zinkoxids unter Verwendung eines Röntgen-Schwenkkurvenverfahrens kann 4° oder weniger betragen.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement kann weiter eine dünne Schicht enthalten, die in Kontakt mit der Phosphorschicht steht und aus Zinkoxid gebildet ist.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement kann weiter ein Substrat enthalten, das in Kontakt mit der dünnen Schicht steht, und die dünne Schicht kann sich zwischen der Phosphorschicht und dem Substrat befinden.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement kann weiter ein Substrat enthalten, das in Kontakt mit der Phosphorschicht steht.
  • Das Substrat kann aus einem ausgebildet sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glas, Quarz, Siliziumoxid, Saphir, Galliumnitrid und Zinkoxid besteht.
  • Das Zinkoxid kann aus säulenförmigen Kristallen bestehen.
  • Das einkristalline Zinkoxid kann in der c-Achsen-Orientierung vorliegen.
  • Die Vielzahl von Phosphorpartikeln kann mindestens eins enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (YAG-Phosphor) und β-SiAlON besteht.
  • Ein LED-Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: ein Licht emittierendes Halbleiterelement zum Abstrahlen von Anregungslicht; und ein beliebiges der oben erwähnten Wellenlängen-Umwandlungselemente, in das das von dem Licht emittierenden Halbleiterelement abgestrahlte Anregungslicht eintritt.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement kann direkt auf dem Licht emittierenden Halbleiterelement ausgebildet sein.
  • Das LED-Element kann weiter eine Kristall-Trennschicht enthalten, die sich zwischen dem Wellenlängen-Umwandlungselement und dem Licht emittierenden Halbleiterelement befindet.
  • Die Kristall-Trennschicht kann aus einem amorphen Material ausgebildet sein, das Siliziumdioxid als Hauptbestandteil enthält.
  • Die Kristall-Trennschicht kann durch Plasmagasphasenabscheidung ausgebildet sein.
  • Das Licht emittierende Halbleiterelement kann enthalten: eine n-GaN-Schicht; eine p-GaN-Schicht; und eine Licht emittierende, aus InGaN gebildete Schicht, wobei die Licht emittierende Schicht zwischen der n-GaN-Schicht und der p-GaN-Schicht liegt.
  • Das Anregungslicht kann Licht in einem Wellenlängenband von Blau oder Blau-Violett sein.
  • Die Vielzahl von Phosphorpartikeln kann einen blauen Phosphor und einen gelben Phosphor enthalten, und das Anregungslicht kann das Licht im Wellenlängenband von Blau-Violett sein. Der blaue Phosphor kann durch Anregen des blauen Phosphors durch das Anregungslicht blaues Licht abstrahlen, und der gelbe Phosphor kann durch Anregen des gelben Phosphors durch das Anregungslicht oder das blaue Licht gelbes Licht abstrahlen.
  • Ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: einen Halbleiterlaserchip zum Abstrahlen von Anregungslicht; und ein beliebiges der oben erwähnten Wellenlängen-Umwandlungselemente, in das das von dem Laserlicht emittierenden Halbleiterchip abgestrahlte Anregungslicht eintritt.
  • Das Anregungslicht kann Licht in einem Wellenlängenband von Blau oder Blau-Violett sein.
  • Die Vielzahl von Phosphorpartikeln kann einen blauen Phosphor und einen gelben Phosphor enthalten, und das Anregungslicht kann das Licht im Wellenlängenband von Blau-Violett sein. Der blaue Phosphor kann durch Anregen des blauen Phosphors durch das Anregungslicht blaues Licht abstrahlen, und der gelbe Phosphor kann durch Anregen des gelben Phosphors durch das Anregungslicht oder das blaue Licht gelbes Licht abstrahlen.
  • Ein Frontscheinwerfer oder ein Fahrzeug gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält: ein beliebiges der oben erwähnten Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteile; und eine Stromversorgung, um das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Ein Verfahren zum Fertigen eines Wellenlängen-Umwandlungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: einen Schritt (a) des Ausbildens einer Phosphorpartikelschicht, die Phosphorpartikel enthält, auf einer dünnen Schicht aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung; und einen Schritt (b) des Ausfüllens von Zwischenräumen zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid unter Verwendung von Lösungszüchtung, um eine Phosphorschicht auszubilden.
  • Eine volle Breite beim halben Maximum einer c-Achse der dünnen Schicht aus Zinkoxid unter Verwendung eines Röntgen-Schwenkkurvenverfahrens kann 4,5° oder weniger betragen.
  • Die dünne Schicht aus Zinkoxid kann ein epitaktisch aufgewachsener Einkristall sein.
  • Der Schritt des Ausbildens einer Phosphorpartikelschicht kann in Elektrophorese bestehen.
  • Die Phosphorpartikel können mindestens eins enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (YAG-Phosphor) und β-SiAlON besteht.
  • Der vorliegende Aufbau kann das Wellenlängen-Umwandlungselement, in dem Lichtstreuung in der Phosphorschicht in geringem Ausmaß auftritt, und das LED-Element und das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil vorsehen, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden, und die eine hohe optische Ausgangsleistung aufweisen.
  • Im Folgenden sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • (Ausführungsbeispiel 1)
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Wellenlängen-Umwandlungselements der Ausführungsform 1.
  • Ein Wellenlängen-Umwandlungselement 6 nach dieser Ausführungsform enthält eine Phosphorschicht 7, die selbst eine Vielzahl von Phosphorpartikeln 3 und eine Matrix 5 enthält, die sich zwischen der Vielzahl von Phosphorpartikeln 3 befindet. Das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 wandelt mindestens einen Teil des einfallenden Lichts in Licht in einem Wellenlängenband um, das unterschiedlich zum Wellenlängenband des einfallenden Lichts ist, und strahlt das umgewandelte Licht ab.
  • Als die Vielzahl von Phosphorpartikeln 3 kann ein Phosphor mit verschiedenen Anregungswellenlängen, Austrittslicht-Wellenlängen und Partikeldurchmessern verwendet sein, der gewöhnlich für ein Licht emittierendes Element verwendet wird. Zum Beispiel können YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), β-SiAlON oder dergleichen verwendet sein. Insbesondere können die Wellenlänge zum Anregen des Phosphors und die Wellenlänge des Austrittslichts willkürlich gemäß der Verwendung des Wellenlängen-Umwandlungselements 6 ausgewählt werden. Weiter kann gemäß diesen Wellenlängen ein Element ausgewählt werden, mit dem YAG oder β-SiAlON dotiert ist.
  • Insbesondere wenn blau-violettes Licht oder blaues Licht als die Wellenlänge von Anregungslicht zum Anregen der Phosphorschicht 7 gewählt ist, kann der Phosphor effizient angeregt werden, und somit kann ein Licht emittierendes Element oder ein Licht emittierendes Bauteil, wie etwa ein LED-Element hoher Ausgangsleistung oder ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil hoher Ausgangsleistung verwirklicht sein.
  • Von dem Licht emittierenden Element abgestrahltes blau-violettes Licht kann einen blauen Phosphor anregen, und das erzeugte blaue Licht kann verwendet werden, um die Phosphorpartikel 3 in dem Wellenlängen-Umwandlungselement 6 anzuregen. Daher enthält blaues Licht, das in das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 eintritt, blaues Licht vom blauen Phosphor.
  • Wenn ein gelber Phosphor, der durch blaues Licht angeregt ist, als die Phosphorpartikel 3 verwendet ist, ist von dem Wellenlängen-Umwandlungselement 6 abgestrahltes Licht weißes Licht, das zusammengesetztes Licht aus blauem Licht als dem Anregungslicht und gelbem Licht von dem Phosphor ist. In diesem Fall ist Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 420 nm als blau-violettes Licht definiert, und Licht mit einer Wellenlänge von 420 nm bis 470 nm ist als blaues Licht definiert. Weiter ist Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm bis 700 nm als gelbes Licht definiert. Ein blauer Phosphor ist eine Definition eines Phosphors, der durch blau-violettes Licht angeregt wird und blaues Licht abstrahlt. Weiter ist ein gelber Phosphor eine Definition eines Phosphors, der durch blaues Licht oder blau-violettes Licht angeregt wird und gelbes Licht abstrahlt.
  • Als die Phosphorpartikel 3 können sowohl ein blauer Phosphor, der durch blau-violettes Licht angeregt wird, als auch ein gelber Phosphor verwendet werden, der durch blaues Licht angeregt wird. Auch in diesem Fall strahlt das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 weißes Licht ab, das zusammengesetztes Licht aus blauem Licht und gelbem Licht von den Phosphoren ist. Alternativ können als die Phosphorpartikel 3 sowohl ein blauer Phosphor, der durch blau-violettes Licht angeregt wird, als auch ein gelber Phosphor verwendet werden, der durch blau-violettes Licht angeregt wird. Auch in diesem Fall strahlt das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 weißes Licht ab, das zusammengesetztes Licht aus blauem Licht und gelbem Licht von den Phosphoren ist.
  • Weiter kann auch zusammen damit zum Zweck des Verbesserns der Farbwiedergabe des LED-Elements und des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils ein Phosphor, der grünes Licht abstrahlt, oder ein Phosphor verwendet werden, der rotes Licht abstrahlt. Die Matrix 5 ist aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet. Genauer besteht Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung aus säulenförmigen Kristallen oder einem Einkristall mit einer Wurtzit-Kristallstruktur. Wie in 1 durch schematische Linien dargestellt, liegt die c-Achse von Zinkoxid in der Matrix 5 parallel zur Richtung der Normalen zu einem Substrat 1, oder die c-Achse ist um 4° oder weniger bezüglich der Richtung der Normalen zu dem Substrat 1 gekippt. In diesem Fall bedeutet „die c-Achse ist um 4° oder weniger gekippt“, dass die Verteilung der Schräglagen der c-Achse 4° oder weniger beträgt, und bedeutet nicht unbedingt, dass alle Schräglagen der Kristallite 4° oder weniger betragen. „Die Neigung der c-Achse“ kann durch die volle Breite beim halben Maximum der c-Achse bei Verwendung eines Röntgen-Schwenkkurvenverfahrens bewertet werden. Wie oben beschrieben, weisen säulenförmige Kristalle in der c-Achsen-Orientierung nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Richtung auf.
  • In dieser Ausführungsform stehen die Phosphorpartikel 3 in Kontakt miteinander in der Phosphorschicht 7. Die Matrix 5 ist in Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln 3 gefüllt, und die Matrix 5 und die Phosphorpartikel 3 stehen in Kontakt miteinander. Mit anderen Worten, die Phosphorpartikel 3 stehen in Kontakt mit benachbarten Phosphorpartikeln 3 und stehen gleichzeitig in Kontakt mit der Matrix 5. Weiter besteht im Wesentlichen kein Hohlraum in der Phosphorschicht 7.
  • Die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildete Matrix 5 ist unter Nutzung der Kristallwachstumseigenschaft von Zinkoxid ausgebildet. Daher kann das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 weiter das Substrat 1 und eine dünne Schicht 2 enthalten. Die dünne Schicht 2 steht in Kontakt mit zum Beispiel einer Hauptebene 7a der Phosphorschicht 7. Weiter steht das Substrat 1 in Kontakt mit der dünnen Schicht 2, und die dünne Schicht 2 befindet sich zwischen dem Substrat 1 und der Phosphorschicht 7.
  • Wie oben beschrieben, ist das Substrat aus einem ausgebildet, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Glas, Quarz, Siliziumoxid, Saphir, Galliumnitrid und Zinkoxid besteht. Wenn das aus Saphir oder Galliumnitrid ausgebildete Substrat 1 verwendet ist, kann die Hauptebene des Substrats 1 die c-Ebene dieser Kristalle sein. Die dünne Schicht 2 ist aus einkristallinem Zinkoxid oder aus polykristallinem Zinkoxid ausgebildet.
  • Die dünne Schicht 2 fungiert als Kristallkeim, der ein Kern des Kristallwachstums des Zinkoxids sein soll, das die Matrix 5 bildet, und somit kann die oben erwähnte Matrix 5 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet werden.
  • Das Substrat 1 und die dünne Schicht 2 können entfernt werden, nachdem die Matrix 5 ausgebildet ist. Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 das Substrat 1 oder sowohl das Substrat 1 als auch die dünne Schicht 2 enthält. Weiter kann das Wellenlängen-Umwandlungselement 6, sofern Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung direkt auf dem Substrat 1 ausgebildet werden kann, das Substrat 1 enthalten und braucht nicht die dünne Schicht 2 zu enthalten. Bezüglich Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung liegt, wenn das Substrat 1 entfernt ist, die c-Achse von Zinkoxid in der Matrix 5 parallel zur Richtung der Normalen zur Hauptebene 7a oder einer Hauptebene 7b der Phosphorschicht 7, oder die c-Achse ist um 4° oder weniger bezüglich der Richtung der Normalen zur Hauptebene 7a oder 7b der Phosphorschicht 7 gekippt. Genauer kann, wenn die volle Breite beim halben Maximum der c-Achse bei Verwendung des Röntgen-Schwenkkurvenverfahrens 4° oder weniger beträgt, Zinkoxid mit nur einer geringen Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Richtung ausgebildet sein.
  • Gemäß dem Wellenlängen-Umwandlungselement nach dieser Ausführungsform füllt die aus Zinkoxid gebildete Matrix Zwischenraum zwischen den Phosphorpartikeln aus, und somit ist die Wärmebeständigkeit hoch. Weiter ist der Brechungsindex von Zinkoxid hoch, und somit ist Streuung von Licht, das in das Wellenlängen-Umwandlungselement eintritt, an Oberflächen der Phosphorpartikel unterdrückt, und Licht kann effizient nach außen gebracht werden.
  • Ein Verfahren zum Fertigen des Wellenlängen-Umwandlungselements 6 gemäß dieser Ausführungsform ist im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • Die 2(a), 2(b) und 2(c) sind Schnittansichten, die das Verfahren gemäß Ausführungsform 1 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
  • In der Ausführungsform 1 werden die Hohlräume in einer aus den Phosphorpartikeln 3 gebildeten Phosphorpartikelschicht 4 mit der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildeten Matrix 5 ausgefüllt, die von der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid aus kristallgezüchtet ist.
  • Zuerst wird, wie in 2(a) dargestellt, die dünne Schicht 2 aus Zinkoxid auf dem Substrat 1 ausgebildet. Als das Substrat 1 ist ein hoch transparentes Substrat bevorzugt. Ein Glassubstrat, ein Quarzsubstrat oder dergleichen kann verwendet werden. Eine Polyethylen-Naphthalat-Schicht (PEN), eine Polyethylen-Terephthalat-Schicht (PET) oder dergleichen kann ebenfalls verwendet werden.
  • Wenn das verwendete Substrat 1 aus einem amorphen Material ausgebildet ist, das keine Kristallstruktur aufweist, wie etwa Glas, oder wenn das Substrat 1 ein einkristallines Substrat ist, aber das Gitterfehlanpassungsverhältnis zwischen der Kristallstruktur des Substrats und der Kristallstruktur von Zinkoxid hoch ist, wird die dünne Schicht 2 aus polykristallinem Zinkoxid ausgebildet.
  • Als Verfahren zum Ausbilden der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid wird Vakuumabscheidung, wie etwa Elektronenstrahl-Abscheidung, reaktive Plasmaabscheidung, Sputtern oder gepulste Laserabscheidung verwendet. Bei der Vakuumabscheidung kann die dünne Schicht 2 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gemäß Schichtbildungsbedingungen, wie etwa der Substrattemperatur und der Plasmadichte beim Ausbilden der Schicht, Temperbehandlung nach der Schichtbildung und dergleichen ausgebildet werden. Weiter kann zum Zweck, die dünne Schicht 2 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zu erhalten, die dünne Schicht aus Zinkoxid mit einem Element, wie etwa Ga, Al oder B, dotiert werden.
  • Dann wird, wie in 2(b) dargestellt, die aus den Phosphorpartikeln 3 gebildete Phosphorpartikelschicht 4 auf der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid ausgebildet, die selbst auf dem Substrat 1 ausgebildet ist. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Phosphorpartikelschicht 4 wird eine Lösung mit dispergiertem Phosphor angesetzt, in der die Phosphorpartikel 3 dispergiert sind, und die Phosphorpartikel 3 können auf der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid unter Verwendung von Elektrophorese angesammelt werden. Alternativ kann die Phosphorpartikelschicht 4 durch Absetzen der Phosphorpartikel 3 in der Lösung mit dispergiertem Phosphor ausgebildet werden.
  • Weiter kann, wie in 2(c) dargestellt, die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildete Matrix 5 durch Lösungszüchtung von der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung aus unter Verwendung einer Lösung kristallgezüchtet werden, die Zn-Ionen enthält. Als Lösungszüchtung wird chemische Badabscheidung unter Atmosphärendruck, hydrothermale Synthese bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks, elektrochemische Abscheidung, bei der Spannung oder Strom angelegt wird, oder dergleichen verwendet. Als Lösung für die Kristallzüchtung wird zum Beispiel eine wässerige Lösung von Zinknitrat (Zn(NO3)2) verwendet, das Hexamethylentetramin (C6H12N4) enthält. Beispielhafter pH-Wert der wässerigen Lösung von Zinknitrat beträgt 5 oder mehr und 7 oder weniger. Diese Arten der Lösungszüchtung sind zum Beispiel offenbart in der Japanische Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 2004-315342.
  • 3 stellt einen Ablauf inmitten der Ausbildung der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildeten Matrix 5 durch Kristallzüchtung von der dünnen Schicht 2 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung aus dar, die in 2(c) dargestellt ist. Durch Verwenden von Lösungszüchtung wird Zinkoxid nicht direkt von den Phosphorpartikeln 3 aus kristallgezüchtet, sondern Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung kann nach oben in der richtigen Reihenfolge von der unterhalb der Phosphorpartikelschicht 4 ausgebildeten dünnen Schicht 2 aus kristallgezüchtet werden, wobei die dünne Schicht 2 der Kristallkeim ist. Anzumerken ist, dass, wie in 3 dargestellt, Zinkoxid durch die Hohlräume in der Phosphorpartikelschicht hindurch kristallgezüchtet wird, und somit kann eine unebene Struktur ausgebildet werden, die aus stabähnlichem Zinkoxid gebildet ist, das aus engen Lücken zwischen den Phosphorpartikeln auf der Oberfläche der Phosphorschicht wächst. In diesem Fall kann Lichtreflexion aufgrund der Brechungsindexdifferenz zwischen der Phosphorschicht und Luft verringert sein.
  • Durch Ausbilden der Matrix 5 derart, dass sie die Hohlräume in der Phosphorpartikelschicht 4 ausfüllt, wird die Phosphorschicht 7 so ausgebildet, wie in 2(c) dargestellt. Auf diese Weise wird das Wellenlängen-Umwandlungselement 6 hergestellt. Wie oben beschrieben, können danach das Substrat 1 oder sowohl das Substrat 1 als auch die dünne Schicht 2 von der Phosphorschicht 7 entfernt werden.
  • (Ausführungsbeispiel 2)
  • 4 ist eine Schnittansicht eines Wellenlängen-Umwandlungselements gemäß Ausführungsform 2.
  • Ein Wellenlängen-Umwandlungselement 46 gemäß dieser Ausführungsform enthält ein Substrat 41, eine dünne Schicht 42 und eine Phosphorschicht 7'. Das Substrat 41 ist ein einkristallines Substrat, und die dünne Schicht 42 ist aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet. Weiter ist in der Phosphorschicht 7' eine Matrix 45 aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet.
  • In der Ausführungsform 2 sind Hohlräume in der aus den Phosphorpartikeln 3 gebildeten Phosphorpartikelschicht 4 mit einkristallinem Zinkoxid ausgefüllt, das aus der dünnen Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid kristallgezüchtet ist.
  • Gemäß dem Wellenlängen-Umwandlungselement nach dieser Ausführungsform ist die Matrix 45 aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet, und somit ist die Anzahl der Korngrenzen in der Matrix 45 weiter verringert, sodass Streuung von Licht, das in die Phosphorschicht eintritt, weiter verringert ist. Daher kann das Wellenlängen-Umwandlungselement gemäß dieser Ausführungsform Licht mit noch mehr Effizienz nach außen bringen.
  • Ein Verfahren zum Fertigen des Wellenlängen-Umwandlungselements 46 gemäß dieser Ausführungsform ist im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • Die 5(a), 5(b) und 5(c) sind Schnittansichten, die das Verfahren gemäß Ausführungsform 2 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
  • Als das Substrat 41 ist ein einkristallines Substrat mit einem niedrigen Gitterfehlanpassungsverhältnis zwischen der Kristallstruktur von Zinkoxid und der Kristallstruktur des Substrats verwendet. In diesem Fall kann Zinkoxid mit einer vorgegebenen Beziehung zwischen der Kristallorientierung des Substrats 41 und der Kristallorientierung der dünnen Schicht 42 aus Zinkoxid kristallgezüchtet werden. Dieses Wachstum wird nachstehend als epitaktisches Wachstum bezeichnet. In der dünnen Schicht 42 aus epitaktisch gewachsenem Zinkoxid sind Kristalle als Ganzes in derselben Richtung orientiert, und außer bei einem Kristalldefekt und dergleichen ist grundsätzlich keine Korngrenze ausgebildet. Auf diese Weise bedeutet ein Einkristall, dass ein Kristall, der epitaktisch gewachsen ist, eine wesentlich geringe Anzahl von Korngrenzen aufweist. Als das Substrat 41, auf dem die dünne Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid epitaktisch wachsen kann, kann ein Saphir-Substrat, ein GaN-Substrat, ein Zinkoxid-Substrat oder dergleichen verwendet sein. Als das Substrat 41 kann auch das oben erwähnte einkristalline Substrat mit einer darauf ausgebildeten Pufferschicht zum Abschwächen des Gitterfehlanpassungsverhältnisses zwischen den Kristallstrukturen des Substrats und des Zinkoxids verwendet sein. Zum Beispiel kann als das Substrat 41 auch ein Saphir-Substrat mit einer darauf ausgebildeten dünnen einkristallinen GaN-Schicht verwendet sein.
  • Wie in 5(a) dargestellt, wird die dünne Schicht 42 auf dem Substrat 41 ausgebildet. Als Verfahren zum Ausbilden der dünnen Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid wird Vakuumabscheidung ähnlich derjenigen in Ausführungsform 1 verwendet. Weiter kann, wenn die Oberfläche des Substrats 41 bei der Lösungszüchtung ein Kristallkeim aus Zinkoxid sein kann, die dünne Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid durch Lösungszüchtung ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die dünne Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid durch Lösungszüchtung auf einem Saphir-Substrat mit einer darauf ausgebildeten dünnen einkristallinen GaN-Schicht ausgebildet werden.
  • Dann wird, wie in 5(b) dargestellt, die aus den Phosphorpartikeln 3 gebildete Phosphorpartikelschicht 4 auf der dünnen Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet, die selbst auf dem Substrat 41 ausgebildet ist. Als Verfahren zum Ausbilden der Phosphorpartikelschicht 4 wird ein Verfahren ähnlich dem in der Ausführungsform 1 verwendet.
  • Weiter kann, wie in 5(c) dargestellt, die aus einkristallinem Zinkoxid gebildete Matrix 45 durch Lösungszüchtung von der dünnen Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid aus unter Verwendung einer Zn-Ionen enthaltenden Lösung kristallgezüchtet werden. Beim Ausbilden der Matrix 45 wird ein Verfahren ähnlich dem in der Ausführungsform 1 verwendeten benutzt.
  • (Ausführungsbeispiel 3)
  • 6(a) ist eine Schnittansicht eines Wellenlängen-Umwandlungselements gemäß Ausführungsform 3.
  • Ein Wellenlängen-Umwandlungselement 200 gemäß dieser Ausführungsform enthält ein Substrat 210, eine dünne Schicht 220, eine Phosphorschicht 230 und eine zweidimensionale periodische Anordnung 240. Das Substrat 210 enthält einen Träger 211 und eine reflektierende Schicht 212. Als Träger 211 kann zum Zweck, Wärme effektiv abzuführen, die in Phosphorpartikeln 231 erzeugt wird, ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie etwa ein Metall, zum Beispiel Aluminium, oder Keramik, verwendet sein. Als die reflektierende Schicht 212 kann ein Material verwendet sein, das Licht einer sichtbaren Wellenlänge einschließlich Fluoreszenz reflektiert, und vom Gesichtspunkt der Wärmeabfuhr kann ein Metall, wie etwa ein Metall, zum Beispiel Aluminium oder Silber, verwendet sein.
  • Die dünne Schicht 220 ist, ähnlich den Fällen der Ausführungsformen 1 und 2, aus polykristallinem oder einkristallinem Zinkoxid ausgebildet.
  • Die Phosphorschicht 230 enthält, ähnlich den Fällen der Ausführungsformen 1 und 2, eine zwischen den Phosphorpartikeln 231 befindliche Matrix 232. Die Matrix 232 ist aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet.
  • Die zweidimensionale periodische Anordnung 240 ist auf einer Hauptebene 230a der Phosphorschicht 230 vorgesehen und enthält eine Vielzahl von Stäben 241. Die Vielzahl von Stäben 241 ist aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet.
  • 6(b) stellt eine Anordnung der Stäbe 241 der zweidimensionalen periodischen Anordnung 240 auf der Hauptebene 230a dar. Die zweidimensionale periodische Anordnung 240 ist durch Anordnen der Stäbe 241 in einem Dreiecksgitter ausgebildet.
  • Gemäß dem Wellenlängen-Umwandlungselement nach dieser Ausführungsform fungiert die auf der Phosphorschicht vorgesehene zweidimensionale periodische Anordnung als ein zweidimensionales Beugungsgitter, und die volle Breite beim halben Maximum der Verteilung des Strahlungswinkels der Fluoreszenz, die von einer Oberfläche der Phosphorschicht abgestrahlt wird, auf der die zweidimensionale periodische Anordnung vorgesehen ist, wird kleiner. Mit anderen Worten, der Strahlungswinkel von Licht, das von dem Wellenlängen-Umwandlungselement abgestrahlt wird, wird kleiner. Daher ist, wenn von dem Wellenlängen-Umwandlungselement abgestrahltes Licht über eine Linse genutzt wird, die Lichtbündelungs-Effizienz durch die Linse verbessert.
  • Ein Verfahren zum Fertigen des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 gemäß dieser Ausführungsform ist im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • Die 7(a) bis 7(g) sind Schnittansichten, die das Verfahren zur Herstellung des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 gemäß Ausführungsform 3 in der Reihenfolge des Ablaufs darstellen.
  • Zuerst wird, wie in 7(a) dargestellt, die reflektierende Schicht 212 auf den Träger 211 gebracht, um das Substrat 210 zu erhalten. Wie oben beschrieben, kann als Träger 211 zum Zweck, Wärme effektiv abzuführen, die in den Phosphorpartikeln 231 erzeugt wird, ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie etwa ein Metall, zum Beispiel Aluminium, oder Keramik, verwendet werden. Als reflektierende Schicht 212 kann ein Material verwendet werden, das Licht einer sichtbaren Wellenlänge einschließlich Fluoreszenz reflektiert, aber vom Gesichtspunkt der Wärmeabfuhr kann ein Metall, wie etwa Aluminium oder Silber, verwendet werden.
  • Dann wird, wie in 7(b) dargestellt, die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildete dünne Schicht 220 auf dem Substrat 210 vorgesehen. Als Verfahren zum Ausbilden der dünnen Schicht 220 wird Vakuumabscheidung, wie etwa Elektronenstrahl-Abscheidung, Widerstandsheizungs-Abscheidung, reaktive Plasmaabscheidung, Sputtern, metallorganische Aufdampfung, Molekularstrahlepitaxie oder gepulste Laserabscheidung verwendet. Weiter wird auch, wie oben beschrieben, Lösungszüchtung unter Verwendung einer Zn-Ionen enthaltenden Lösung verwendet. Als Lösungszüchtung wird chemische Badabscheidung unter Atmosphärendruck, hydrothermale Synthese bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks, elektrochemische Abscheidung, bei der Spannung oder Strom angelegt wird, oder dergleichen verwendet. Zinkoxid neigt dazu, entlang der c-Achse zu wachsen, und somit kann durch Steuern der Schichtbildungsbedingungen, wie etwa der Temperatur und der Schichtbildungsgeschwindigkeit, die dünne Schicht 220 mit Leichtigkeit erhalten werden.
  • Anzumerken ist, dass, um die dünne Schicht 220 mit niedrigem elektrischem Widerstand zu erhalten, Zinkoxid, das die dünne Schicht 220 bildet, mit einem Dotierstoff, wie etwa Ga, Al, In oder B, dotiert werden kann.
  • Dann wird, wie in 7(c) dargestellt, die aus den Phosphorpartikeln 231 gebildete Phosphorpartikelschicht 235 auf der dünnen Schicht 220 ausgebildet. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Phosphorpartikelschicht 235 kann zum Beispiel die folgende Technik verwendet werden. Genauer wird eine Lösung mit dispergiertem Phosphor, in der die Phosphorpartikel 231 dispergiert sind, verwendet, um die Phosphorpartikel 231 auf der dünnen Schicht 220 durch Elektrophorese anzusammeln. Alternativ kann die Phosphorpartikelschicht 235 durch Absetzen der Phosphorpartikel 231 in der Lösung mit dispergiertem Phosphor auf der dünnen Schicht 220 ausgebildet werden. Weiter kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Lösung mit dispergiertem Phosphor auf die dünne Schicht 220 aufgebracht wird und die Lösung dann getrocknet wird. Ungeachtet der verwendeten Verfahren bilden, anders als im Fall der herkömmlichen Technik zum Ausbilden eines Phosphors, bei der Phosphorpartikel in einer Matrix eines Kunstharzes dispergiert werden, gemäß der vorliegenden Erfindung die Phosphorpartikel 231 eine agglomerierte Struktur in der Phosphorpartikelschicht 235, die erstellt wird. Als Ergebnis ist es, anders als im Fall der herkömmlichen Technik, nicht erforderlich, dass die Dispersion in der Matrix gesteuert wird, und das Ausmaß an Fluoreszenz kann nur durch Einstellen der Menge der Phosphorpartikel 231 gesteuert werden. Daher kann ein Wellenlängen-Umwandlungselement mit stabilen Fluoreszenzeigenschaften mit Leichtigkeit erhalten werden.
  • Dann wird, wie in 7(d) dargestellt, durch Lösungszüchtung unter Verwendung einer Zn-Ionen enthaltenden Lösung Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung von der dünnen Schicht 220 aus kristallgezüchtet, um Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln 231 mit der Matrix 232 auszufüllen, die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildet wird. Chemische Badabscheidung oder elektrolytische Abscheidung unter Atmosphärendruck, hydrothermale Synthese bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks oder dergleichen wird verwendet. Als Lösung zum Kristallzüchten wird zum Beispiel eine Hexamethylentetramin enthaltende Zinknitratlösung verwendet. Beispielhafter pH-Wert der Zinknitratlösung beträgt 5 oder mehr und 7 oder weniger. Zinkoxid weist eine Eigenschaft auf, die andere Oxide nicht aufweisen, indem Wachstum in einer Lösung um den neutralen Punkt möglich ist, wie oben beschrieben. Anders als im Fall des Auffüllens mit Glas, das eine alkalische Reaktionsflüssigkeit erfordert, verursacht Lösungszüchtung von Zinkoxid um den neutralen Punkt keine Rekombination ohne Lichtemission auf Oberflächen der Phosphorpartikel 231 aufgrund chemischen Ätzens, und somit reduziert Auffüllen mit der Matrix 232 die interne Quantenausbeute der Phosphorpartikel 231 nicht.
  • Durch Verwendung von Lösungszüchtung kann die Matrix 232 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung nach oben in der richtigen Reihenfolge von der dünnen Schicht 220 in einem Bereich unterhalb der Phosphorpartikel 231 aus kristallgezüchtet werden, indem die dünne Schicht 220 als Kern des Kristallwachstums verwendet wird, das heißt, als Kristallkeim. Als Ergebnis behält Zinkoxid, das die Matrix 232 bildet, den Kristallzustand der dünnen Schicht 220 als der Unterschicht bei. Daher weist die Matrix 232, ähnlich wie die dünne Schicht 220, eine dichte Kristallstruktur auf.
  • Die Matrix 232, die von dem Bereich unterhalb der Phosphorpartikel 231 aus gezüchtet wird, wächst so, dass sie die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln 231 ausfüllt, und wird dann auch in einem Bereich oberhalb der Phosphorpartikel 231 durch seitliches Wachstum ausgebildet. Weiter ist die Rohmateriallösung eine verdünnte wässerige Lösung und weist eine niedrige Viskosität auf, und somit kann die Rohmateriallösung das Innere der Phosphorpartikelschicht 235 mit Leichtigkeit erreichen. Weiter sind Zn-Ionen, die das Rohmaterial zum Züchten von Zinkoxid sind, klein, und somit können, auch wenn Zn-Ionen durch das Kristallwachstum der Matrix 232 verbraucht werden, Zn-Ionen aus der Rohmateriallösung außerhalb der Phosphorpartikelschicht 235 diffundieren, um mit Leichtigkeit das Innere der Phosphorpartikelschicht 235 zu erreichen. Daher kann Bildung eines Hohlraums in der Phosphorpartikelschicht 230 aufgrund von Mangel an Rohmaterial unterdrückt werden.
  • Dann wird, wie in 7(e) dargestellt, eine Maske 250 für das selektive Züchten aus einem Kunstharz, wie etwa einem Photolack, auf der Matrix 232 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung vorgesehen. Die Maske 250 für das selektive Züchten weist ein Maskenmuster auf, in dem Öffnungen, in denen die Oberfläche der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildeten Matrix 232 darunter freiliegt, zweidimensional und periodisch in einem Dreiecksgitter angeordnet sind. Beim Ausbilden der Maske 250 für das selektive Züchten kann eine Technik verwendet werden, bei der ein Photolack auf der Phosphorschicht 230 aufgebracht wird und Einbringen eines Musters durch Photolithographie, Elektronenstrahlbelichtung oder UV-Nanoprägung, ein Verfahren, in dem das Kunstharzmuster durch thermische Nanoprägung übertragen wird, oder dergleichen ausgeführt wird. Anzumerken ist, dass zum Zweck, feine Muster zu ermöglichen, Vorbehandlung der Oberfläche der Phosphorschicht 230, wie etwa Planarisierungsbehandlung durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP), angewendet werden können, bevor die Maske 250 für das selektive Züchten vorgesehen wird.
  • Dann werden, wie in 7(f) dargestellt, die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildeten Stäbe 241 aus der Matrix 232 in der Phosphorschicht 230 in den Öffnungen in der Maske 250 für das selektive Züchten selektiv gezüchtet. Beim selektiven Züchten der Stäbe 241 wird Lösungszüchtung verwendet. Chemische Badabscheidung oder elektrolytische Abscheidung unter Atmosphärendruck, hydrothermale Synthese bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks oder dergleichen wird verwendet. Als Lösung zum Kristallzüchten wird zum Beispiel eine Hexamethylentetramin enthaltende Zinknitratlösung verwendet. Beispielhafter pH-Wert der Zinknitratlösung beträgt 5 oder mehr und 7 oder weniger. Beim selektiven Züchten der Stäbe 241 wird, damit das Muster der Maske 250 für das selektive Züchten nicht verformt wird, die Temperatur der Lösung für das Kristallzüchten so eingestellt, dass sie gleich oder niedriger ist als der Erweichungspunkt des verwendeten Kunstharzes, zum Beispiel gleich oder niedriger als 120 °C.
  • Dann wird, wie in 7(g) dargestellt, die Maske 250 für das selektive Züchten entfernt, um das Wellenlängen-Umwandlungselement 200 zu erhalten. Beim Entfernen der Maske 250 für das selektive Züchten kann ein organisches Lösungsmittel, wie etwa Aceton oder Methanol, verwendet werden.
  • Zu beachten ist, dass als Modifikation dieser Ausführungsform die zweidimensionale periodische Anordnung 240 des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 andere Strukturen aufweisen kann. Zum Beispiel kann, wie in 8(a) dargestellt, die zweidimensionale periodische Anordnung 240 die Vielzahl von Stäben 241 enthalten, die in einem tetragonalen Gitter auf der Hauptebene 230a der Phosphorschicht 230 angeordnet sind. Weiter kann, wie in 8(b) dargestellt, die zweidimensionale periodische Anordnung 240 eine Vielzahl von Öffnungen 242 aufweisen. Die zweidimensionale periodische Anordnung 240 ist auf der Hauptebene 230a der Phosphorschicht 230 vorgesehen, und die Öffnungen 242 legen die Hauptebene 230a frei. Die Vielzahl von Öffnungen 242 ist in einem tetragonalen Gitter oder in einem Dreiecksgitter angeordnet.
  • Die in den 8(a) und 8(b) dargestellten zweidimensionalen periodischen Anordnungen 240 können ausgebildet werden, indem in einem in 7(e) dargestellten Verfahren die Maske 250 für das selektive Züchten in einem Muster mit einer Vielzahl von Öffnungen, die in einem tetragonalen Gitter angeordnet sind, oder die Maske 250 für das selektive Züchten in einem inselartigen Muster verwendet wird, das in einem Dreiecksgitter angeordnet ist.
  • (Ausführungsbeispiel 4)
  • Eine Ausführungsform eines LED-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung ist beschrieben.
  • Das LED-Element gemäß dieser Ausführungsform kann ein beliebiges der Wellenlängen-Umwandlungselemente gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 verwenden. 9(a) stellt das in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Wellenlängen-Umwandlungselement 6 in einem kopfgestellten Zustand dar.
  • 9(b) ist eine Schnittansicht des LED-Elements gemäß Ausführungsbeispiel 4. Elektroden des LED-Chips, der innere Aufbau des LED-Chips und dergleichen sind zugunsten leichten Verständnisses vereinfacht. Wie in 9(b) dargestellt, enthält ein LED-Element 60 einen Träger 61, einen LED-Chip 62 und ein Wellenlängen-Umwandlungselement 50.
  • Der Träger 61 trägt den LED-Chip 62. In dieser Ausführungsform weist das LED-Element 60 einen Aufbau auf, der Oberflächenmontage ermöglicht. Diese Ausführungsform wird angemessen für ein LED-Element hoher Helligkeit verwendet, und somit kann der Träger 61 zum Zweck, effiziente Abfuhr nach außen von durch das LED-Element erzeugter Wärme zu ermöglichen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder dergleichen ausgebildete Keramik als Träger 61 verwendet sein.
  • Der LED-Chip 62 strahlt Anregungslicht zum Anregen des Phosphors des Wellenlängen-Umwandlungselements 50 ab. Der LED-Chip 62 enthält zum Beispiel ein Substrat 62a, eine n-GaN-Schicht 62b, eine p-GaN-Schicht 62d und eine Licht emittierende, aus InGaN gebildete Schicht 62c, eingeschlossen zwischen der n-GaN-Schicht 62b und der p-GaN-Schicht 62d. Der LED-Chip 62 strahlt zum Beispiel blaues Licht ab. Der LED-Chip 62 wird auf dem Träger 61 durch Lot 64 oder dergleichen unter einem Zustand befestigt, in dem sich eine Fläche 63, aus der Licht von dem LED-Chip abgestrahlt wird, oben befindet. Weiter ist der LED-Chip 62 über Bonddrähte 65 mit Elektroden 66 elektrisch verbunden, die auf dem Träger vorgesehen sind. Der LED-Chip 62 ist von dem Träger 61 umgeben, und das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 ist am Träger 61 befestigt. Wenn das Wellenlängen-Umwandlungselement 50, wie in 9(a) dargestellt, so gelegt ist, dass sich seine Seite des Substrats 1 auf einer Seite einer Fläche 67 befindet, von der Licht von dem LED-Element abgestrahlt wird, liegt die Phosphorschicht 7 nicht nach außen frei. Jedoch kann das Substrat 1 des Wellenlängen-Umwandlungselements 50 auf eine Seite einer Fläche 68 gesetzt werden, in die Licht von dem LED-Chip 62 eintritt.
  • In dem LED-Element 60 tritt von dem LED-Chip 62 abgestrahltes Anregungslicht in das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 ein. In dem Wellenlängen-Umwandlungselement 50 tritt ein Teil des Anregungslichts, das in das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 eintritt, in die Phosphorpartikel 3 ein, um den Phosphor anzuregen. Somit wird Licht in einem Wellenlängenband abgestrahlt, das sich von demjenigen des Anregungslichts unterscheidet. Wenn der Phosphor zum Beispiel ein gelber Phosphor ist, tritt blaues Licht als Anregungslicht ein, und gelbes Licht wird abgestrahlt.
  • Anregungslicht, das nicht in die Phosphorpartikel 3 eintritt, tritt unverändert durch das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 hindurch. Auf diese Weise enthält Licht, das von dem Wellenlängen-Umwandlungselement 50 abgestrahlt wird, blaues Licht und gelbes Licht, und somit emittiert das LED-Element 60 weißes Licht.
  • (Ausführungsbeispiel 5)
  • Ein LED-Element gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist beschrieben. In der Ausführungsform 5 sind LED-Elemente beschrieben, die ein Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden, das nach einem Verfahren ähnlich dem in Ausführungsform 1 beschriebenen ausgebildet ist. Die in der Phosphorschicht des Wellenlängen-Umwandlungselements verwendete Matrix ist aus säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung gebildet.
  • Die 10 und die 11 sind Schnittansichten der LED-Elemente in Ausführungsform 5. Die Elektroden der LED-Chips, der Träger, die Elektroden, die Verdrahtung der LED-Elemente und dergleichen sind zugunsten leichten Verständnisses vereinfacht.
  • Das in 10(a) dargestellte LED-Element enthält einen LED-Chip 70 und ein Wellenlängen-Umwandlungselement 75. Der LED-Chip 70 enthält ein Substrat 71 und ein auf dem Substrat 71 befindliches Licht emittierendes Halbleiterelement 72. Das Licht emittierende Halbleiterelement 72 enthält weiter eine Licht emittierende Schicht 73. Das Wellenlängen-Umwandlungselement 75 ist direkt auf dem Licht emittierenden Halbleiterelement 72 ausgebildet und weist einen Aufbau des Wellenlängen-Umwandlungselements 6 gemäß Ausführungsform 1 auf, wobei dessen Substrat 1 entfernt ist. Mit anderen Worten, das Wellenlängen-Umwandlungselement 75 enthält die auf dem Licht emittierendes Halbleiterelement 72 ausgebildete dünne Schicht 2 und die Phosphorschicht 7.
  • Das in 10(b) dargestellte LED-Element enthält auch den LED-Chip 70 und das Wellenlängen-Umwandlungselement 75, und der LED-Chip 70 befindet sich in einem kopfstehenden Zustand bezüglich des in 10(a) dargestellten LED-Elements. Mit anderen Worten, die Licht emittierende Schicht 73 des LED-Chips 70 befindet sich auf einer Seite entgegengesetzt zum Wellenlängen-Umwandlungselement 75. Das Wellenlängen-Umwandlungselement 75 enthält die auf dem Substrat 71 ausgebildete dünne Schicht 2 und die Phosphorschicht 7.
  • Als das Substrat 71 kann zum Beispiel ein Saphir-Substrat oder ein GaN-Substrat verwendet sein. Diese Substrate sind hoch transparent, und ein Licht emittierendes Halbleiterelement mit zufriedenstellenden Eigenschaften, das n-GaN, eine aus InGaN ausgebildete Licht emittierende Schicht und p-GaN enthält, kann auf diesen Substraten ausgebildet sein.
  • Sowohl bei dem in 10(a) dargestellten Aufbau als auch bei dem in 10(b) dargestellten Aufbau kann durch Verwenden des LED-Chips 70 als das Substrat das Wellenlängen-Umwandlungselement 75 nach einem Verfahren ähnlich dem in Ausführungsform 1 beschriebenen auf der Seite des Licht emittierenden Halbleiterelements 72 oder auf der Seite des Substrats 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements ausgebildet werden.
  • Die LED-Elemente gemäß dieser Ausführungsform können auch unter Verwendung eines LED-Chips 80, der eine Kristall-Trennschicht 74 enthält, und unter Verwendung des Wellenlängen-Umwandlungselements 75 ausgebildet werden. Genauer kann, wie in 11(a) und 11(b) dargestellt, das Wellenlängen-Umwandlungselement 75 nach einem Verfahren ähnlich dem in Ausführungsform 1 beschriebenen auf dem Licht emittierenden Halbleiterelement 72 oder auf dem Substrat 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements ausgebildet werden, indem der LED-Chip 80 mit der darauf ausgebildeten Kristall-Trennschicht 74 als das Substrat verwendet wird. Die Kristall-Trennschicht 74 ist eine Unterschicht zum Ausbilden der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildeten dünnen Schicht 2 und kann zum Beispiel aus einem Material ausgebildet sein, dessen Hauptbestandteil amorphes Siliziumdioxid (SiO2) ohne eine Kristallstruktur ist, unter Verwendung von Plasmagasphasenabscheidung. Aus einem flüssigen Glas-Rohmaterial, wie etwa Polysilazan, gebildetes Glas kann auch verwendet werden. Durch Ausbilden der Kristall-Trennschicht 74, ist, sogar wenn zum Beispiel das Substrat 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements eine Innenebene eines GaN-Substrats ist und das Licht emittierende Halbleiterelement 72 eine Kristallstruktur aufweist, die epitaktisch auf dem Substrat 71 aufgewachsen ist, die Kristall-Trennschicht 74 amorph und weist ähnlich einem Glassubstrat keine Kristallstruktur auf, und somit kann, ungeachtet der Kristallstruktur des Substrats 71, die dünne Schicht 2 aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet werden. Die dünne Schicht 2 aus Zinkoxid befindet sich in der c-Achsen-Orientierung, und somit kann die Matrix 5 des Wellenlängen-Umwandlungselements 75 nach einem ähnlichen Verfahren wie dem in Ausführungsform 1 beschriebenen aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet werden.
  • (Ausführungsbeispiel 6)
  • Ein LED-Element gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist beschrieben. In der Ausführungsform 6 sind LED-Elemente beschrieben, die ein Wellenlängen-Umwandlungselement verwenden, das nach einem Verfahren ähnlich dem in Ausführungsform 2 beschriebenen ausgebildet ist. Ausführungsform 6 ist ein Beispiel, bei dem die in der Phosphorschicht des Wellenlängen-Umwandlungselements verwendete Matrix aus einkristallinem Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildet ist.
  • Die 12 sind Schnittansichten der LED-Elemente in Ausführungsform 6. Die Elektroden der LED-Chips, der Träger, die Elektroden, die Verdrahtung der LED-Elemente und dergleichen sind zugunsten leichten Verständnisses vereinfacht.
  • Die LED-Elemente gemäß Ausführungsform 6 enthalten den LED-Chip 70 und ein Wellenlängen-Umwandlungselement 95.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement 95 enthält die dünne Schicht 42 aus einkristallinem Zinkoxid und die Phosphorschicht, die selbst die Phosphorpartikel 3 und die Matrix 45 enthält. Ähnlich dem Fall der Ausführungsform 2 ist die Phosphorschicht aus einkristallinem Zinkoxid gebildet. Der LED-Chip enthält, ähnlich dem Fall der Ausführungsform 5, das Licht emittierende Halbleiterelement 72 und das Substrat 71.
  • Sofern die Oberfläche des Licht emittierenden Halbleiterelements 72 oder des Substrats 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements eine Kristallstruktur aufweist, die Bildung der dünnen Schicht 42 aus einem einkristallinen Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ermöglicht, wie in 12(a) und 12(b) dargestellt, kann die dünne Schicht 42 aus einem einkristallinen Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung auf der Seite des Licht emittierenden Halbleiterelements 72 oder auf der Seite des Substrats 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements durch Verwenden des LED-Chips 70 als das Substrat ausgebildet werden. Die dünne Schicht 42 aus Zinkoxid ist einkristallin in der c-Achsen-Orientierung, und somit kann die Matrix 45 des Wellenlängen-Umwandlungselements 95 aus einem einkristallinen Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung nach einem ähnlichen Verfahren wie dem in Ausführungsform 2 beschriebenen ausgebildet werden.
  • Als das Substrat 71 des Licht emittierenden Halbleiterelements kann zum Beispiel eine c-Ebene eines Saphir-Substrats oder eine c-Ebene eines GaN-Substrats verwendet werden. Insbesondere weisen sowohl Zinkoxid als auch Galliumnitrid eine Kristallstruktur des Wurtzit-Typs auf. Die Gitterfehlanpassungsverhältnisse dazwischen entlang der a-Achse und entlang der c-Achse betragen 1,8 % bzw. 0,4 %. Beide Gitterfehlanpassungsverhältnisse sind wesentlich niedrig. Daher kann die dünne Schicht 2, die aus einkristallinem Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet ist, auf der Seite des Licht emittierenden Halbleiterelements oder auf der Seite des Substrats epitaktisch gezüchtet werden.
  • (Ausführungsbeispiel 7)
  • Eine Ausführungsform eines Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung ist beschrieben.
  • 13 ist eine Schnittansicht eines Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils 330 gemäß der Ausführungsform 7. Innerer Aufbau, Elektroden, Verbindungsverdrahtung und dergleichen des Halbleiterlaser-Chips sind zugunsten leichten Verständnisses vereinfacht. Das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil 330 enthält einen Halbleiterlaser-Chip 310, das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 und einen Schaft 301 zum Halten des Halbleiterlaser-Chips 310 und des Wellenlängen-Umwandlungselements 50. Der Halbleiterlaser-Chip 310 ist über einen Block 302 durch den Schaft 301 gehalten, und das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 ist über eine Kappe 303 durch den Schaft 301 gehalten. Der Schaft 301 und der Block 302 sind zum Beispiel aus einem metallischen Material ausgebildet, das hauptsächlich Fe oder Cu enthält, sind aus einem Stück unter Verwendung einer Form ausgebildet und führen im Betrieb effizient Wärme ab, die in dem Halbleiterlaser-Chip 310 erzeugt wird. Die Kappe 303 ist aus einem metallischen Material ausgebildet, das hauptsächlich Fe und Ni enthält und mit dem Schaft 301 durch Schweißen oder dergleichen verbunden ist. Der Halbleiterlaser-Chip 310 ist am Block 302 montiert, und Bonddrähte verbinden den Halbleiterlaser-Chip 310 und die Anschlussdrähte 305 elektrisch. Eine Öffnung 304 ist in der Kappe 303 vorgesehen, und das Wellenlängen-Umwandlungselement ist so vorgesehen, dass es die Öffnung 304 abdeckt. Anregungslicht vom Halbleiterlaser-Chip 310 tritt in eine Lichteintrittsfläche 307 des Wellenlängen-Umwandlungselements 50 ein. Das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil 330 strahlt Licht ab, das eine Zusammensetzung aus Anregungslicht, das durch das Wellenlängen-Umwandlungselement 50 hindurchtritt, und Fluoreszenz ist, die aus dem Anregungslicht umgewandelt ist.
  • In 13 ist der Halbleiterlaser-Chip 310 direkt am Block 302 montiert, aber der Halbleiterlaser-Chip 310 kann am Block 302 über einen aus AlN, Si oder dergleichen ausgebildeten Unterbau montiert sein. Das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil 330 weist einen Vorteil auf, dass, falls das Substrat des Wellenlängen-Umwandlungselements 50 auf eine Seite der Licht emittierenden Fläche gesetzt ist, die Phosphorschicht nicht nach außen freiliegt. Jedoch kann das Substrat auch auf die Seite der Lichteintrittsfläche 307 gesetzt sein.
  • (Ausführungsbeispiel 8)
  • Eine Projektorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist beschrieben. In Ausführungsform 8 ist eine Projektorvorrichtung beschrieben, die als Farbrad ein beliebiges der Wellenlängen-Umwandlungselemente gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 verwendet.
  • Die 14(a) und 14(b) stellen ein Farbrad 400 dar, das in der Projektorvorrichtung nach dieser Ausführungsform verwendet ist.
    14(a) stellt die Positionsbeziehung zwischen dem Farbrad 400 und Licht dar, das von einer Lichtquelle abgestrahlt wird, und 14(b) stellt einen Aufbau des Farbrads 400 dar.
  • Wie in den 14(a) und 14(b) dargestellt, enthält das Farbrad 400 eine Scheibe 410 und das Wellenlängen-Umwandlungselement 200. Die Scheibe 410 hält das Wellenlängen-Umwandlungselement 200. Die Scheibe 410 weist eine darin vorgesehene Öffnung 411 auf. Blaues Licht B, das kollimiertes Anregungslicht ist, wird durch eine Linse 420 kondensiert, um auf das Wellenlängen-Umwandlungselement 200 gestrahlt zu werden, und grünes Licht G, das von dem Wellenlängen-Umwandlungselement 200 abgestrahlte Fluoreszenz ist, wird durch die Linse 420 kondensiert, um kollimiert zu werden. Durch Drehen der Scheibe 410 durch einen Radmotor 430 und Bewegen der Stelle des kondensierten blauen Lichts B hoher Helligkeit wird ein Bereich des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 mit einer Temperatur, die sich durch das kondensierte blaue Licht B erhöht, gekühlt, um den Temperaturanstieg des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 zu unterdrücken. Wenn das blaue Licht B auf die Öffnung 411 gestrahlt wird, tritt das blaue Licht B durch die Scheibe 410 und wird durch eine Linse 421 kondensiert, um kollimiert zu werden.
  • Wie in 14(b) dargestellt, verändert sich die Stelle des kondensierten blauen Lichts B auf der Scheibe 410, wenn sich die Scheibe 410 dreht, und somit sind das Wellenlängen-Umwandlungselement 200 und die Öffnung 411 so angeordnet, dass sie jeweils Bögen bilden. Ein Lichtabschirmbereich 412 auf der Scheibe 410, in dem weder das Wellenlängen-Umwandlungselement 200 noch die Öffnung 411 vorgesehen sind, entspricht einem Zeitraum, während dessen ein rotes Display in räumlicher Lichtmodulation in dem Projektor erzeugt wird. Anzumerken ist, dass das Flächenverhältnis und die Anordnung des Wellenlängen-Umwandlungselements 200, der Öffnung 411 und des Lichtabschirmbereichs 412 gemäß der räumlichen Lichtmodulation in dem Projektor geeignet gestaltet sein können.
  • 15 stellt eine Lichtquelle 500 für einen Projektor dar, der das Farbrad 400 in Ausführungsform 8 verwendet. Aus rotem Licht R aus einer roten Lichtquelle 501, blauem Licht B aus einer blauen Lichtquelle 502 und grünem Licht G aus einem Wellenlängen-Umwandlungselement 200 auf dem Farbrad 400 erzeugt die Lichtquelle 500 Austrittslicht 510 zeitlich verzahnt gemäß der Zeitgebung der Lichtabstrahlung durch die Lichtquellen und die Drehung des Farbrads 400. In dem Projektor wird das Austrittslicht 510 zu einem räumlichen Lichtmodulator gestrahlt, und ein Farbbild wird in Synchronisation mit der zeitlich verzahnten Zeitgebung von RGB des Austrittslichts 510 erzeugt.
  • Die rote Lichtquelle 501 ist aus einer roten LED oder einer roten Laserdiode (LD) gebildet. Bei der zeitlichen Verzahnung führt die rote Lichtquelle 501 Lichtabstrahlungsbetrieb nur während eines Zeitraums aus, in dem das rote Licht R notwendig ist, um das rote Licht R abzustrahlen. Das von der roten Lichtquelle 501 abgestrahlte rote Licht R tritt durch dichroitische Spiegel 511 und 512, die Licht in roten Wellenlängen durchlassen, um ausgegeben zu werden.
  • Die blaue Lichtquelle 502 ist aus einer blauen LED oder einer blauen Laserdiode (LD) gebildet. Bei der zeitlichen Verzahnung führt die blaue Lichtquelle 502 Lichtabstrahlungsbetrieb nur während eines Zeitraums aus, in dem das blaue Licht B und das grüne Licht G notwendig sind. Das von der blauen Lichtquelle 502 abgestrahlte blaue Licht B tritt durch den dichroitischen Spiegel 511, der Licht in blauen Wellenlängen durchlässt, um das Farbrad 400 zu erreichen. Bei der zeitlichen Verzahnung tritt das blaue Licht B während eines Zeitraums, in dem das blaue Licht B erforderlich ist, gemäß der Drehung des Farbrads 400 durch die Öffnung 411 in dem Farbrad 400. Das blaue Licht B, das durch das Farbrad 400 tritt, wird durch Spiegel 521 und 522 reflektiert. Das blaue Licht wird weiter durch den dichroitischen Spiegel 512 reflektiert, der Licht in blauen Wellenlängen reflektiert, und richtet dabei die optische Achse des blauen Lichts B und die optische Achse des roten Lichts R so aus, dass sie als Austrittslicht 510 ausgegeben werden.
  • Das grüne Licht G wird von dem Farbrad 400 durch Anregung durch das blaue Licht B des Wellenlängen-Umwandlungselements 200 nur während eines Zeitraums erzeugt, in dem das grüne Licht G in der zeitlichen Verzahnung erforderlich ist. Das von dem Farbrad 400 abgestrahlte grüne Licht G erreicht den dichroitischen Spiegel 511. Die optische Achse des grünen Lichts G ist zur der optischen Achse des roten Lichts R durch den dichroitischen Spiegel 511 ausgerichtet, der Licht in grünen Wellenlängen reflektiert. Das grüne Licht G tritt durch den dichroitischen Spiegel 512, der Licht in grünen Wellenlängen durchlässt, um als das Austrittslicht 510 ausgegeben zu werden.
  • (Ausführungsbeispiel 9)
  • Ein Frontscheinwerfer und ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind beschrieben. In Ausführungsform 9 sind ein Frontscheinwerfer und ein Fahrzeug beschrieben, die ein beliebiges der Wellenlängen-Umwandlungselemente gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 verwenden.
  • 16(a) stellt schematisch einen Aufbau des Fahrzeugs gemäß dieser Ausführungsform dar. Ein Fahrzeug 601 enthält eine Fahrzeugkarosserie 605, einen an einem vorderen Bereich der Fahrzeugkarosserie 605 vorgesehenen Frontscheinwerfer 602, eine Stromversorgung 603 und eine Lichtmaschine 604. Die Lichtmaschine 604 wird drehend durch eine Antriebsquelle, wie etwa einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt), angetrieben, um elektrische Energie zu erzeugen. Die erzeugte elektrische Energie wird in der Stromversorgung 603 gespeichert. In dieser Ausführungsform ist die Stromversorgung 603 eine Sekundärbatterie, die geladen und entladen werden kann. Wenn das Fahrzeug 601 ein Elektroauto oder ein Hybridauto ist, kann ein Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs die Lichtmaschine 604 sein. Der Frontscheinwerfer 602 wird durch elektrische Energie aus der Stromversorgung beleuchtet.
  • 16(b) stellt einen schematischen Aufbau des Frontscheinwerfers 602 dar. Der Frontscheinwerfer 602 enthält einen Halbleiterlaser-Chip 611, ein optisches System 612, eine optische Faser 613, ein Wellenlängen-Umwandlungselement 614 und ein optisches System 615. Der Halbleiterlaser-Chip 611 weist einen Aufbau auf, bei dem zum Beispiel am Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil 330 gemäß Ausführungsform 7 eine transparente Platte anstelle des Wellenlängen-Umwandlungselements 50 vorgesehen ist.
  • Von dem Halbleiterlaser-Chip 611 abgestrahltes Licht wird durch das optische System 612 auf ein Ende der optischen Faser 613 kondensiert, um durch die optische Faser 613 hindurchzutreten. Licht, das aus dem anderen Ende der optischen Faser 613 abgestrahlt wird, tritt in das Wellenlängen-Umwandlungselement 614 ein, und mindestens ein Teil der Wellenlängen wird umgewandelt, um abgestrahlt zu werden. Weiter steuert das optische System 615 den Beleuchtungsbereich. Auf diese Weise beleuchtet der Frontscheinwerfer 602 den Weg vor dem Fahrzeug 601.
  • Gemäß dem Frontscheinwerfer nach dieser Ausführungsform ist die Matrix in der Phosphorschicht des Wellenlängen-Umwandlungselements aus einem anorganischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmebeständigkeit ausgebildet, und somit weist, selbst wenn das Wellenlängen-Umwandlungselement für einen Frontscheinwerfer verwendet ist, bei dem hoch intensive Lichtabstrahlung bevorzugt ist, das Wellenlängen-Umwandlungselement hervorragende Wärmeabfuhreigenschaft und hervorragende Wärmebeständigkeit auf, und Verschlechterung der Phosphorschicht aufgrund von Wärme ist über lange Zeit unterdrückt. Weiter ist der Abstrahlungswirkungsgrad hoch, und somit ist der elektrische Energieverbrauch der Stromversorgung niedrig. Noch weiter wird von dem Halbleiterlaser-Chip abgestrahltes Licht durch die optische Faser in das Wellenlängen-Umwandlungselement eingeführt, und somit ist die Anordnung des Halbleiterlaser-Chips und des Wellenlängen-Umwandlungselements in dem Frontscheinwerfer nicht eingeschränkt.
  • Wie oben gemäß Ausführungsform 1 beschrieben, können durch Verwenden der aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildeten dünnen Schicht Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann eine Korngrenze in Zinkoxid in der Richtung der Lichtabstrahlung in der Phosphorschicht unterdrückt sein, und gleichzeitig kann ein Hohlraum in der Phosphorschicht unterdrückt sein.
  • Gemäß Ausführungsform 2 können durch Verwendung der aus einkristallinem Zinkoxid gebildeten dünnen Schicht Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln dicht mit epitaktisch gewachsenem einkristallinem Zinkoxid ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann Lichtstreuung aufgrund von Korngrenzen in Zinkoxid in der Phosphorschicht verhindert sein, und gleichzeitig kann ein Hohlraum in der Phosphorschicht unterdrückt sein.
  • Die Matrix in der Phosphorschicht wird durch direktes Kristallzüchten von Zinkoxid von der aus Zinkoxid gebildeten dünnen Schicht aus ausgebildet, die dasselbe Material sind. Daher ist die Kohäsion zwischen der Phosphorschicht und dem Substrat hoch.
  • In der Phosphorschicht wird Zinkoxid von der dünnen Schicht aus Zinkoxid aus durch die Lücken in der Phosphorpartikelschicht kristallgezüchtet. Als Ergebnis kann an der Oberfläche der Phosphorschicht stabartiges Zinkoxid in selbstorganisierender Weise aus den engen Lücken zwischen den Phosphorpartikeln auf der Oberfläche ausgebildet werden. Die aus den Zinkoxid-Stäben gebildete unebene Struktur kann auf der Oberfläche der Phosphorschicht ausgebildet werden, und somit kann Lichtreflexion aufgrund der Brechungsindexdifferenz zwischen der Phosphorschicht und Luft verringert sein.
  • Gemäß Ausführungsform 3 ist weiter die zweidimensionale periodische Struktur auf der Oberfläche der Phosphorschicht vorgesehen, und somit kann die Richtwirkung von Licht, das aus der Phosphorschicht abgestrahlt wird, weiter verbessert sein.
  • Gemäß Ausführungsform 4 ist das oben erwähnte Wellenlängen-Umwandlungselement enthalten, und somit kann ein LED-Element verwirklicht sein, das wärmebeständig ist und hohe optische Ausgangsleistung aufweist.
  • Gemäß Ausführungsform 5 kann das LED-Element ausgebildet sein, in dem das oben erwähnte Wellenlängen-Umwandlungselement auf dem Licht emittierenden Halbleiterelement oder auf dem Substrat des Licht emittierenden Halbleiterelements über die Kristall-Trennschicht ausgebildet ist. Gemäß diesem Aufbau kann, selbst wenn die Kristallstruktur des Licht emittierenden Halbleiterelements oder des Substrats des Licht emittierenden Halbleiterelements die c-Achsen-Orientierung von Zinkoxid verhindert, die aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung gebildete dünne Schicht ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Matrix in der Phosphorschicht aus Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung ausgebildet sein.
  • Gemäß Ausführungsform 6 kann die Kristallstruktur des Licht emittierenden Halbleiterelements oder des Substrats des Licht emittierenden Halbleiterelements verwendet werden, um die Matrix in der Phosphorschicht aus einkristallinem Zinkoxid auszubilden. Es ist nicht notwendig, zusätzlich ein aufwendiges einkristallines Substrat zu erstellen, und somit können die Kosten des LED-Elements verringert sein.
  • Gemäß Ausführungsform 7 kann das Licht emittierende Bauteil ausgebildet sein, in dem die Phosphorschicht des oben erwähnten Wellenlängen-Umwandlungselements durch Laserlicht angeregt wird, das von dem Halbleiterlaser-Chip abgestrahlt wird. Gemäß diesem Aufbau sind die Richtwirkung und die Helligkeit des Halbleiterlaser-Chips höher als diejenigen des LED-Chips. Weiter ist in der Phosphorschicht Lichtstreuung im Phosphor unterdrückt, und somit kann das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil gemäß dieser Ausführungsform eine Lichtquelle mit hoher Richtwirkung oder hoher Helligkeit verwirklichen.
  • Gemäß Ausführungsform 8 kann die Phosphorschicht des oben erwähnten Wellenlängen-Umwandlungselements für das Farbrad verwendet sein, das durch Licht, die von einem LED-Chip abgestrahlt wird, oder durch Laserlicht angeregt wird, das von einem Halbleiterlaser-Chip abgestrahlt wird. Das Farbrad gemäß dieser Ausführungsform kann Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterbinden, und somit kann eine Lichtquelle für einen Projektor mit hohem Wirkungsgrad ausgebildet sein.
  • Gemäß Ausführungsform 9 ist ein hoch zuverlässiger Frontscheinwerfer verwirklicht, der hervorragende Wärmebeständigkeit aufweist und über lange Zeit Verschlechterung der Phosphorschicht aufgrund von Wärme unterdrückt.
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement, das LED-Element und das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil gemäß den Ausführungsformen sind unter Verwendung der folgenden Beispiele genau beschrieben.
  • (Beispiel 1)
  • (Bildung einer dünnen Schicht aus Zinkoxid auf Glassubstrat)
  • Als das Substrat wurde ein Sodaglassubstrat mit einer Dicke von 1 mm erstellt. Elektronenstrahl-Abscheidung wurde verwendet, um auf dem Glassubstrat eine dünne Schicht aus Zinkoxid (ZnO-Unterschicht) in der c-Achsen-Orientierung zu bilden, die eine Dicke von 150 nm aufwies und mit 3 At.% Ga dotiert war. Die Substrattemperatur beim Bilden der Schicht betrug 180 °C. Nachdem die Schicht gebildet war, wurde Tempern in der Atmosphäre ausgeführt, indem die Temperatur in 30 Minuten von Raumtemperatur auf 500 °C erhöht wurde und die Temperatur 20 Minuten lang auf 500 °C gehalten wurde.
  • (Bildung der Phosphorpartikelschicht)
  • Ein Y3Al5O12. Ce-Phosphor (YAG:Ce) mit einem Brechungsindex von 1,8 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 3 µm wurde verwendet, um die Lösung mit dispergiertem Phosphor anzusetzen. YAG:Ce-Phosphorpartikel (0,1 g) und Phosphatester (0,0003 g) und Polyethylenimin (0,0003 g) als Dispergenzien wurden mit Ethanol (30 ml) als Dispersions-Lösungsmittel gemischt, und ein Ultraschall-Homogenisiergerät wurde benutzt, um die Phosphorpartikel in dem Lösungsmittel zu dispergieren.
  • Die erhaltene Lösung mit dispergiertem Phosphor wurde verwendet, um durch Elektrophorese die Phosphorpartikelschicht auf dem Substrat mit der darauf ausgebildeten ZnO-Unterschicht zu bilden. Die Abscheidungsbedingungen der Phosphorpartikelschicht waren wie folgt. Die ZnO-Unterschicht wurde als Kathode benutzt, eine Pt-Elektrode wurde als Anode benutzt, die angelegte Spannung betrug 100 V, und der Zeitraum des Anlegens der Spannung betrug drei Minuten. Nachdem di Phosphorpartikelschicht abgeschieden war, wurde Ethanol als das Lösungsmittel getrocknet, um die Phosphorpartikelschicht (mit einer Dicke von etwa 17 µm) fertigzustellen. Das Flächengewicht des Phosphors betrug 3,3 mg/cm2.
  • (Auffüllen von Zwischenräumen zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid)
  • Als Verfahren der Lösungszüchtung von Zinkoxid als Matrix wurde chemische Badabscheidung verwendet. Als Zinkoxid-Züchtungslösung wurde eine wässerige Lösung angesetzt, in der Zinknitrat (0,1 mol/L) und Hexamethylentetramin (0,1 mol/L) gelöst waren. Die Lösung wies einen pH-Wert von 5 bis 7 auf. Das Substrat mit der darauf gebildeten Phosphorpartikelschicht wurde in die Zinkoxid-Züchtungslösung getaucht, und die Temperatur der Zinkoxid-Züchtungslösung wurde bei 90 °C gehalten, um Zinkoxid in den Hohlräumen in der Phosphorpartikelschicht kristallzuzüchten. Danach wurde das Substrat herausgenommen, wurde mit reinem Wasser gereinigt und wurde getrocknet.
  • (Montieren des Wellenlängen-Umwandlungselements auf dem LED-Element und Bewertung des LED-Elements)
  • Eine Vielzahl blauer LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 465 nm und derselben Lichtemissionsstärke wurde erstellt. Die Phosphorschicht, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid ausgefüllt waren, wurde durch Vereinzelung so geschnitten, dass sie zur Größe des Trägers 61 passten, um ein individualisiertes Wellenlängen-Umwandlungselement zu erstellen. Wie in 9(b) dargestellt, wurde der blaue LED-Chip am Träger 61 unter Verwendung des Lots 64 angebracht, und Verdrahtung zwischen den am Träger 61 vorgesehenen Elektroden 66 und dem blauen LED-Chip wurde ausgeführt. Dann wurden, wie in 9(b) dargestellt, Enden des Wellenlängen-Umwandlungselements, das so zugeschnitten war, dass es zur Größe des Trägers 61 passte, am Träger 61 mit einem Klebstoff aus einem Silikonharz so fixiert, dass die Seite des Substrats die Seite der Oberfläche 67 war, aus der Licht aus dem LED-Element abgestrahlt wird, um das in 9(b) dargestellte LED-Element fertigzustellen. Das fertiggestellte LED-Element wurde an einer Ulbrichtkugel angebracht und mit einem konstanten Strom von 20 mA betrieben, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • (Auswertung des Brechungsindexes von Zinkoxid)
  • Auf einem Glassubstrat mit darauf gebildeter ZnO-Unterschicht, die dieselbe war wie die in Beispiel 1 verwendete, wurde die Phosphorpartikelschicht nicht gebildet, und nur eine Zinkoxidschicht wurde durch Kristallzüchtung unter Verwendung von Lösungszüchtung gebildet, die ähnlich der in Beispiel 1 verwendeten war. Der durch spektroskopische Ellipsometrie gemessene Brechungsindex der Zinkoxidschicht betrug 2,0.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Als das Substrat wurde ein Sodaglassubstrat mit einer Dicke von 1 mm erstellt. Der Phosphor, der derselbe war wie der in Beispiel 1 verwendete, wurde mit einem Silikonharz gemischt, bei dem Komponente A und Komponente B eines Dimethyl-Silikonharzes gemischt wurden, wobei ihre Gewichte dieselben waren, sodass der Phosphor 8 Vol.-% in der Phosphorschicht ausmachte. Dann wurde das Gemisch dreimal durch einen Drei-Walzen-Kneter geschickt, und Vakuum-Entschäumen wurde ausgeführt, um ein Silikonharzgemisch zu erhalten. Danach wurde das erhaltene Silikonharzgemisch auf das Glassubstrat aufgebracht, und das Silikonharzgemisch wurde vier Stunden lang bei 150 °C ausgehärtet, um eine Phosphorschicht (mit einer Dicke von 90 µm) zu erhalten, wobei das Silikonharz als die Matrix verwendet wurde. Das Flächengewicht des Phosphors, berechnet aus dem Volumenanteil des Phosphors in der Phosphorschicht und der Dicke der Phosphorschicht, betrug 3,3 mg/cm2. Die Phosphorschicht wurde verwendet, um ein LED-Element nach einem Verfahren fertigzustellen, das ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Eine Phosphorpartikelschicht wurde nach demselben Verfahren wie dem in Beispiel 1 verwendeten auf dem Glassubstrat mit der darauf gebildeten ZnO-Unterschicht gebildet, die dieselbe war wie die in Beispiel 1 verwendete. Das Flächengewicht des Phosphors betrug 3,3 mg/cm2. Die Phosphorschicht wurde verwendet, um ein LED-Element nach einem Verfahren fertigzustellen, das ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 3)
  • Ein Glassubstrat mit ITO wurde erstellt, bei dem eine ITO-Schicht (Indiumoxid, dotiert mit Zinn) durch Elektronenstrahl-Abscheidung auf einem Sodaglassubstrat mit einer Dicke von 1 mm gebildet wurde. Ähnlich dem Fall von Beispiel 1 wurde eine Phosphorpartikelschicht auf dem Glassubstrat mit ITO gebildet. Das Flächengewicht des Phosphors betrug 3,3 mg/cm2.
  • Dann wurden Hohlräume in der Phosphorpartikelschicht mit Zinkoxid nach einem Sol-Gel-Verfahren ausgefüllt. Zinkacetatdihydrat (Zn(CH3COO)2·2H2O) wurde als Zinkquelle angesetzt, Ethanol wurde als Lösungsmittel angesetzt, und Diethanolamin (HN(CH2CH2OH)2) wurde als Stabilisator angesetzt. Eine Rohmateriallösung für das Sol-Gel-Verfahren wurde angesetzt, in der die Mol-Verhältnisse von Diethanolamin und Zn2+ dieselben waren und 0,5 mol/L Zinkacetat in Ethanol gelöst wurde. Die erhaltene Rohmateriallösung für das Sol-Gel-Verfahren wurde auf die Phosphorpartikelschicht getropft, und Vakuumziehen wurde mit einer Kreiselpumpe durchgeführt, um die Hohlräume in der Phosphorpartikelschicht mit der Rohmateriallösung zu imprägnieren. Dann wurde Erwärmen über eine Stunde bei 400 °C ausgeführt, um die Rohmateriallösung in Zinkoxid umzuwandeln. Die Phosphorschicht wurde verwendet, um ein LED-Element nach einem Verfahren fertigzustellen, das ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • 17 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 1. Die Messung kann eine Kristallgitterebene parallel zum Substrat nachweisen. Wie in 17 gezeigt, wurden, verglichen mit Beugungsspitzen des Phosphors oder des Zinkoxids außerhalb der c-Ebene, bedeutend hohe Spitzen von Zinkoxid (002) und Zinkoxid (004) nachgewiesen. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass Zinkoxid in dem Wellenlängen-Umwandlungselement von Beispiel 1 ein bedeutend hohes Ausmaß an c-Achsen-Orientierung aufwies. Auf diese Weise sind bezüglich des Ergebnisses der Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements die Beugungsspitzen von Zinkoxid in der c-Ebene höher als Beugungsspitzen von Zinkoxid außerhalb der c-Ebene, und somit kann bestätigt sein, dass Zinkoxid in diesem Fall als Kristalle in der c-Achsen-Orientierung vorliegt.
  • 18 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Vergleichsbeispiel 3. Wie in 18 gezeigt, wiesen, anders als beim Fall von Beispiel 1, die Spitzenintensität des Phosphors und die Spitzenintensität von Zinkoxid ähnliche Beträge auf. Weiter wurden Spitzen von Zinkoxid (100), Zinkoxid (002) und Zinkoxid (101) nachgewiesen, und die Spitzenintensitäten davon wiesen ähnliche Beträge auf. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass Zinkoxid in dem Wellenlängen-Umwandlungselement von Vergleichsbeispiel 3 in zufälliger Orientierung vorlag. Tabelle 1 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente dar.
  • [Tabelle 1]
    Probe Lichtemissions stärke
    Beispiel 1 Phosphor + säulenförmige Zinkoxid-Kristalle in der c-Achsen-Orientierung 120
    Vergleichsbeispiel 1 Phosphor + Silikonharz 100
    Vergleichsbeispiel 2 Phosphorpartikelschicht allein 60
    Vergleichsbeispiel 3 Phosphor + Zinkoxid in zufälligen Orientierungen 73
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in allen Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärken der LED-Elemente außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 1 sind so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 1 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 1 betrug 120, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,2-mal so hoch wie diejenige des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 1, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements von Vergleichsbeispiel 2, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel einfach auf dem Substrat angesammelt waren, betrug 60. In Beispiel 1 war die erhaltene Lichtemissionsstärke zweimal so hoch wie diejenige im Fall des Vergleichsbeispiels 2. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 3, das die Phosphorschicht verwendete, in der das Innere der Phosphorpartikelschicht mit Zinkoxid in zufälligen Orientierungen ausgefüllt war, betrug 73. In Vergleichsbeispiel 3 war die erhaltene Lichtemissionsstärke 1,2-mal so hoch wie diejenige im Fall des Vergleichsbeispiels 2, aber in Vergleichsbeispiel 3 war die erhaltene Lichtemissionsstärke niedriger als diejenigen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1. Dies ist so, weil, wenn das Innere der Phosphorpartikelschicht mit Zinkoxid in zufälligen Orientierungen ausgefüllt ist, eine große Anzahl von Korngrenzen von Zinkoxid in der Richtung der Lichtabstrahlung bestehen und somit Lichtstreuung in der Phosphorschicht in großem Ausmaß auftritt.
  • 19 ist ein unter einem REM beobachtetes Bild eines Schnitts durch die Phosphorschicht von Beispiel 1. Die 20 sind unter einem REM beobachtete Bilder von Schnitten durch die Phosphorschicht von Beispiel 1. Die Proben sind in einem Bruchquerschnitt der Phosphorschicht betrachtet, und somit sind Stellen, die in dem betrachteten Bild wie runde Vertiefungen aussehen, Spuren, in denen die Phosphorpartikel eingebettet waren, und es ist angenommen, dass sich der Phosphor auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der zerbrochenen Proben befindet. 20(a) zeigt einen Bereich um eine Grenzfläche zum Substrat, und 20(b) zeigt einen mittleren Bereich. Wie in 19 gezeigt, wuchsen die Zinkoxidstäbe auf der Oberfläche der Phosphorschicht, und Unebenheit durch die Zinkoxidstäbe konnte sich in selbstorganisierender Weise bilden. Wie aus 19, 20(a) und 20(b) deutlich ist, ist das Innere der Phosphorschicht über der gesamten Phosphorschicht dicht mit Zinkoxid ausgefüllt. Weiter sind vertikale Korngrenzen in Zinkoxid in der Phosphorschicht zu beobachten. Dies zeigt, dass Zinkoxid durch Lösungszüchtung zu säulenförmigen Kristallen wuchs. Aus 20(a) ist zu ersehen, dass Zinkoxid als Matrix in engem Kontakt mit der dünnen Schicht aus Zinkoxid gehalten wurde und Zinkoxid von der dünnen Schicht aus Zinkoxid aus kristallgezüchtet wurde. Aus 20(b) ist ein Zustand zu sehen, in dem säulenförmige Zinkoxid-Kristalle Zwischenraum um die Phosphorpartikel ausfüllen. Säulenförmige Zinkoxid-Kristalle mit nur einer geringen Anzahl von Korngrenzen in der Richtung der Lichtabstrahlung konnten angeordnet werden, und somit konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • 21 zeigt Emissionsspektren der LED-Elemente von Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 1. In Beispiel 1 konnte das Innere der Phosphorpartikelschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden, und somit konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Fall des Vergleichsbeispiels 1, und blaues Licht vom LED-Chip konnte effizient aus dem LED-Element nach außen gebracht werden.
  • (Beispiel 2)
  • Bezüglich der Schichtbildungsbedingungen beim Bilden der ZnO-Unterschicht auf dem Glassubstrat wurde das Substrat bei der Schichtbildung nicht erwärmt, und es wurde kein Tempern nach der Schichtbildung ausgeführt. Ein LED-Element wurde nach einem Verfahren fertiggestellt, das außer diesen Bedingungen ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 gezeigt. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug.
  • (Beispiel 3)
  • Bezüglich der Schichtbildungsbedingungen beim Bilden der ZnO-Unterschicht auf dem Glassubstrat wurde die Substrattemperatur bei der Schichtbildung auf 180 °C eingestellt, und es wurde kein Tempern nach der Schichtbildung ausgeführt. Ein LED-Element wurde nach einem Verfahren fertiggestellt, das außer diesen Bedingungen ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 gezeigt. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug.
  • (Beispiel 4)
  • Bezüglich der Schichtbildungsbedingungen beim Bilden der ZnO-Unterschicht auf dem Glassubstrat wurde die Substrattemperatur bei der Schichtbildung auf 180 °C eingestellt. Weiter wurde nach der Schichtbildung Tempern in der Atmosphäre ausgeführt, indem die Temperatur in 30 Minuten von Raumtemperatur auf 300 °C erhöht wurde und die Temperatur 20 Minuten lang auf 300 °C gehalten wurde. Ein LED-Element wurde nach einem Verfahren fertiggestellt, das außer diesen Bedingungen ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 gezeigt. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug.
  • 22 zeigt das Ergebnis der Röntgenbeugungsmessung (ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 1, bei der die Neigung (Neigung einer Kristallachse) von Zinkoxid (002) nach einem Röntgen-Schwenkkurvenverfahren bewertet wurde. Bei dieser Messung wird durch Festhalten von 2θ (Ort eines Detektors) und Drehen nur der Probe die Verteilung der Kristall-Orientierungen gemessen, die eine Hinweis auf das Ausmaß der Gleichförmigkeit der Kristall-Orientierung ist. Damit wurde die Neigung der c-Achse von Zinkoxid bewertet. Wie in 22 gezeigt, betrug in Beispiel 1 die volle Breite beim halben Maximum der Schwenkkurve von Zinkoxid (002) 2,7°. Dies ist als die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht definiert.
  • Die volle Breite bei halben Maxima der Schwenkkurven von Zinkoxid (002) der Wellenlängen-Umwandlungselemente von Beispiel 2 bis Beispiel 4 wurde nach einem ähnlichen Verfahren gemessen. Das Ergebnis dieser Messungen ist in Tabelle 2 gezeigt. Weiter wurde die volle Breite bei halben Maxima der Schwenkkurven der dünnen Schichten aus Zinkoxid (002) auf den Glassubstraten in Beispiel 1 bis Beispiel 4 nach einem ähnlichen Verfahren gemessen. Dies ist als die Neigung der c-Achse der ZnO-Unterschicht definiert. Das Ergebnis dieser Messungen ist in Tabelle 2 gezeigt.
  • Zu bemerken ist, dass auf Grundlage des Ergebnisses der Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) der ZnO-Unterschichten auf den Glassubstraten und der Wellenlängen-Umwandlungselemente von Beispiel 1 bis Beispiel 4 bestätigt werden konnte, dass sich in allen diesen Fällen Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung befand.
  • Tabelle 2 legt das Ergebnis der Neigungen der c-Achsen von Zinkoxid in den Phosphorschichten und der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente dar.
  • [Tabelle 2]
    Neigung der c-Achse der dünnen Schicht (ZnO-Unterschicht) Neigung der c-Achse von Matrix bildendem Zinkoxid in Phosphor schicht Lichtemissionsstärke
    Beispiel 2 5,5 5,0 35
    Beispiel 3 4,5 4,0 112
    Beispiel 4 4,2 2,9 117
    Beispiel 1 4,0 2,7 120
    Vergleichsbeispiel 1 - - 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in allen Proben gleich war. In Tabelle 2 sind die Beispiele zum besseren Verständnis in abfallender Reihenfolge der Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht aufgeführt. Die Lichtemissionsstärken der LED-Elemente außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 1 sind so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 1 mit 100 angenommen ist.
  • Eine Korrelation ist zwischen der Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht und der Lichtemissionsstärke des LED-Elements zu beobachten. Wenn die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht kleiner wurde, verbesserte sich die Lichtemissionsstärke des LED-Elements. Weiter ist auch eine Korrelation zwischen der Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht und der Neigung der c-Achse der dünnen Schicht von Zinkoxid zu beobachten. Wenn die Neigung der c-Achse der dünnen Schicht aus Zinkoxid in kleiner wurde, wurde die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht kleiner. Es wird angenommen, dass dies der Fall ist, weil Zinkoxid in der Phosphorpartikelschicht entlang der c-Achsen-Richtung der dünnen Schicht aus Zinkoxid wuchs, wobei die dünne Schicht aus Zinkoxid der Kristallkeim war.
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt, war, wenn die Neigung der c-Achse von Zinkoxid als Matrix in der Phosphorschicht 4,0° oder weniger betrug, die Lichtemissionsstärke verbessert, verglichen mit der Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 1, das die Phosphorschicht verwendete, bei der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Weiter wurde festgestellt, dass es, um zu bewirken, dass die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht 4,0° oder weniger betrug, nur erforderlich war, die Neigung der c-Achse der dünnen Schicht auf 4,5° oder weniger einzustellen.
  • Weiter ist es gemäß Beispiel 4 bevorzugt, dass die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht 2,9° oder weniger beträgt, und in diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Neigung der c-Achse der dünnen Schicht aus Zinkoxid 4,2° oder weniger beträgt. Weiter ist es gemäß Beispiel 1 bevorzugt, dass die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht 2,7° oder weniger beträgt, und ist es bevorzugt, dass in diesem Fall die Neigung der c-Achse der ZnO-Unterschicht 4,0° oder weniger beträgt.
  • Um die Hohlräume in der Phosphorschicht genauer zu beobachten, wurde ein Ionenfeinstrahl (FIB) verwendet, um einen Schnitt der Phosphorschicht zu bearbeiten, und es wurde eine Betrachtung unter einem REM durchgeführt. 23(a) ist ein unter einem REM beobachtetes Bild der Phosphorschicht in Beispiel 2, und 23(b) ist ein unter einem REM beobachtetes Bild der Phosphorschicht in Beispiel 1. Wie in 23(a) gezeigt, wurde in der Phosphorschicht von Beispiel 2 ein Hohlraum oberhalb eines Phosphorpartikels beobachtet. Wie aus 23(b) deutlich ist, war die Anzahl der Hohlräume in Beispiel 1 geringer als diejenige in Beispiel 2, und es konnte bestätigt werden, dass die Hohlräume unterdrückt waren.
  • Der genaue Grund dafür, dass es eine Korrelation zwischen der Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht und der Lichtemissionsstärke des LED-Elements gibt, wie oben beschrieben, ist unbekannt, aber folgender Grund ist denkbar. Die 24 sind schematische Ansichten des Vorgangs zum Einbetten der Phosphorpartikel in Zinkoxid durch Lösungszüchtung. 24(a) stellt einen Fall dar, bei dem die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in einer Phosphorschicht groß ist, und 24(b) stellt einen Fall dar, bei dem die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht klein ist. Zugunsten besseren Verständnisses ist in den Figuren die Anzahl der Phosphorpartikel auf eins vereinfacht. Beim Züchten von Zinkoxid durch Lösungszüchtung kann der Phosphor kein Kristallkeim sein, und Zinkoxid wird nicht direkt von Phosphorpartikeln aus kristallgezüchtet. Zinkoxid in der Phosphorschicht wird von der ZnO-Unterschicht aus in der c-Achsen-Richtung kristallgezüchtet. Wenn Zinkoxid, das in der c-Achsen-Richtung von unterhalb der Phosphorpartikel kristallgezüchtet wird, auf die Phosphorpartikel trifft, wird sein Kristallwachstum dort gestoppt.
  • Zinkoxid wird oberhalb der Phosphorpartikel in einer horizontalen Richtung (seitlichen Richtung) kristallgezüchtet, um die Phosphorpartikel einzubetten. Wenn man so denkt, ist, wenn die Neigung der c-Achse der ZnO-Unterschicht groß ist, die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht groß. Wenn die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht groß ist, ist die Richtung des Kristallwachstums in der seitlichen Richtung von Zinkoxid ungleichmäßig, und somit verbleiben, wenn die Phosphorpartikel in dem Zinkoxid eingebettet sind, Hohlräume oberhalb der Phosphorpartikel. Wenn die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der ZnO-Unterschicht klein ist, ist die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht klein. Wenn die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht klein ist, ist die Richtung des Kristallwachstums in der seitlichen Richtung von Zinkoxid gleichmäßig, und somit verbleibt, wenn die Phosphorpartikel in dem Zinkoxid eingebettet sind, kein Hohlraum oberhalb der Phosphorpartikel. Auf diese Weise konnten durch Verringern der Neigung der c-Achse von Zinkoxid, das die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln füllt, die Hohlräume in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • (Beispiel 5)
  • Als das Substrat wurde ein c-Ebenen-Saphirsubstrat mit einer darauf ausgebildeten einkristallinen dünnen GaN-Schicht in der c-Achsen-Orientierung erstellt. Die Dicke des Saphirsubstrats betrug 0,43 mm, und die Dicke der dünnen GaN-Schicht betrug 5 µm. Eine einkristalline ZnO-Unterschicht in der c-Achsen-Orientierung wurde auf dem GaN-/Saphir-Substrat durch Lösungszüchtung gebildet. Als Lösungszüchtung von Zinkoxid wurde chemische Badabscheidung verwendet. Als Zinkoxid-Züchtungslösung wurde eine wässerige Lösung angesetzt, in der Zinknitrat (0,1 mol/L) und Hexamethylentetramin (0,1 mol/L) gelöst waren. Die Lösung wies einen pH-Wert von 5 bis 7 auf. Das oben erwähnte Substrat wurde in die Zinkoxid-Züchtungslösung getaucht, und die Temperatur der Zinkoxid-Züchtungslösung wurde auf 90 °C gehalten, um einkristallines Zinkoxid mit 0,7 µm auf dem GaN-Dünnschicht-/Saphirsubstrat zu züchten. Danach wurde das Substrat herausgenommen, wurde mit reinem Wasser gereinigt und wurde getrocknet.
  • Danach wurde ein LED-Element nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 gezeigt. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug.
  • (Vergleichsbeispiel 4)
  • Als das Substrat wurde ein c-Ebenen-Saphir-Substrat mit einer Dicke von 0,43 mm erstellt. Danach wurde ein LED-Element nach einem Verfahren ähnlich dem in Vergleichsbeispiel 1 verwendeten fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 gezeigt. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 3,3 mg/cm2 betrug.
  • 25 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 5. Wie in 25 gezeigt, wurden, verglichen mit Beugungsspitzen des Phosphors oder des Zinkoxids außerhalb der c-Ebene, bedeutend hohe Spitzen von Zinkoxid (002) und Zinkoxid (004) erkannt. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass Zinkoxid in der Phosphorschicht von Beispiel 5 ein bedeutend hohes Ausmaß an c-Achsen-Orientierung aufwies. Jedoch weisen, wie in 25 gezeigt, Zinkoxid und GaN dieselbe Kristallstruktur und ähnliche Gitterkonstanten auf, und somit liegen die Spitzen von Zinkoxid und GaN nahe beieinander, bezüglich sowohl (002) als auch (004), und ihre klare Trennung ist schwierig.
  • 26 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) auf einer Seite größeren Winkels des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 5. Wie in 26 gezeigt, wurden die Spitzen von Zinkoxid (006) und von GaN (006) in einem deutlich getrennten Zustand erkannt.
  • 27 zeigt das Ergebnis der Röntgenbeugungsmessung (ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 5, bei der die Neigung (Neigung einer Kristallachse) von Zinkoxid (006) nach einem Röntgen-Schwenkkurvenverfahren bewertet wurde. Damit wurde die Neigung der c-Achse von Zinkoxid bewertet. Wie in 27 gezeigt, betrug die volle Breite beim halben Maximum der Schwenkkurve von Zinkoxid (006) 0,2°. Dies ist als die Neigung der c-Achse von Zinkoxid in der Phosphorschicht definiert. Es konnte bestätigt werden, dass die Neigung der Kristallachse der c-Achse von Zinkoxid von Beispiel 5 wesentlich klein war, verglichen mit der von Zinkoxid der säulenförmigen Kristalle von Beispiel 1. Weiter wurde nach einem ähnlichen Verfahren die volle Breite beim halben Maximum der Schwenkkurve von Zinkoxid (006) der einkristallinen ZnO-Unterschicht auf dem GaN-/Saphir-Substrat von Beispiel 5 gemessen. Die volle Breite beim halben Maximum betrug 0,2°. Dies ist als die Neigung der c-Achse der ZnO-Unterschicht definiert. Es konnte bestätigt werden, dass die Neigung der c-Achse der ZnO-Unterschicht von Beispiel 5 auch wesentlich klein war, verglichen mit der der ZnO-Unterschicht von Beispiel 1. Zu bemerken ist, dass auf Grundlage des Ergebnisses der Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) der einkristallinen ZnO-Unterschicht auf dem GaN-/Saphir-Substrat von Beispiel 5 bestätigt werden konnte, dass sich Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung befand.
  • 28 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (Φ-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 5. Bei dieser Messung kann durch Drehen der Proben in einer Richtung in der gleichen Ebene um 360° die Kristall-Orientierung in der Ebene bewertet werden. Bewertung von Zinkoxid (202), GaN (202) und Al2O3 (113) wurde vorgenommen. Wie in 28 gezeigt, erschien ein Muster mit hexagonaler Symmetrie von Zinkoxid, und somit war bestätigt, dass Zinkoxid in der Phosphorschicht ein Einkristall in einer gleichförmigen Kristallorientierung war. Weiter fielen alle Stellen der Spitzen von Al2O3 des Saphirsubstrats, die Stellen der Spitzen von GaN und die Stellen der Spitzen von Zinkoxid aufeinander, und somit wies die Kristallorientierung von Zinkoxid eine epitaktische Beziehung zu den Kristallorientierungen des Saphirsubstrats und der dünnen GaN-Schicht auf. Es konnte bestätigt werden, dass Zinkoxid bezüglich des Saphirsubstrats und der dünnen GaN-Schicht epitaktisch gewachsen war.
  • 29 ist ein unter einem REM beobachtetes Bild eines Schnitts durch die Phosphorschicht von Beispiel 5. 30 ist ein unter einem REM beobachtetes vergrößertes Bild eines Schnitts durch die Phosphorschicht um die Mitte in Beispiel 5. Eine Probe ist in einem Bruchquerschnitt der Phosphorschicht betrachtet, und somit sind Stellen, die wie in dem betrachteten Bild runde Vertiefungen aussehen, Spuren, in denen die Phosphorpartikel eingebettet waren, und es ist angenommen, dass sich der Phosphor auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Bruchprobe befindet. Wie in 29 gezeigt, wuchsen die Zinkoxidstäbe auf der Oberfläche der Phosphorschicht, und Unebenheit durch die Zinkoxidstäbe konnte sich in selbstorganisierender Weise bilden. Wie aus 29 und 30 deutlich ist, konnte bestätigt werden, dass das Innere der Phosphorschicht über die gesamte Phosphorschicht dicht mit Zinkoxid ausgefüllt war. Weiter wurde im Unterschied zu dem Fall der Phosphorschicht von Beispiel 1 keine Korngrenze bezüglich Zinkoxid von Beispiel 5 beobachtet. Dies ist der Fall, weil Zinkoxid epitaktisch von der einkristallinen ZnO-Unterschicht aus aufgewachsen war, und somit konnte das Innere der Phosphorschicht dicht mit einkristallinem Zinkoxid ohne Korngrenze ausgefüllt werden.
  • 31 ist ein unter einem TEM beobachtetes Bild eines Schnitts durch die Phosphorschicht von Beispiel 5. Wie aus 31 deutlich ist, konnte bestätigt werden, dass durch Verwenden einkristallinen Zinkoxids in der c-Achsen-Orientierung als ZnO-Unterschicht die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln dicht mit Zinkoxid ausgefüllt werden konnten.
  • 32 ist eine Mikrofotografie eines unter einem TEM beobachteten Bildes von Elektronenbeugung in einem in 31 gezeigten Bereich. Wie in 32 gezeigt, wurden deutliche Beugungspunkte von Zinkoxid beobachtet. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass Zinkoxid in der Phosphorschicht von Beispiel 5 einkristallin war.
  • Tabelle 3 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente von Beispiel 5 und Vergleichsbeispiel 4 dar.
  • [Tabelle 3]
    Probe Lichtemissionsstärke
    Beispiel 5 Phosphor + einkristallines Zinkoxid 127
    Vergleichsbeispiel 4 Phosphor + Silikonharz 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in allen Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 4 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 4 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 5 betrug 127, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,27-mal so hoch wie diejenige des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 4, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Die Lichtemissionsstärke im Fall von Beispiel 1, bei dem das Innere der Phosphorschicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung ausgefüllt war, war 1,20-mal so hoch wie die in dem Fall des Vergleichsbeispiels 1. Beim Vergleich dieser Ergebnisse war in Beispiel 5, bei dem das Innere der Phosphorschicht mit einkristallinem Zinkoxid ausgefüllt war, die Lichtemissionsstärke stärker verbessert als in Beispiel 1, bei dem das Innere der Phosphorschicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt war. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit einkristallinem Zinkoxid ohne Korngrenze ausgefüllt werden konnte. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Falle der mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllten Phosphorschicht.
  • 33 zeigt Emissionsspektren der LED-Elemente von Beispiel 5, Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 4. Wie in 33 gezeigt, konnte das Innere der Phosphorpartikelschicht dicht mit einkristallinem Zinkoxid ohne Korngrenze ausgefüllt werden, und somit konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Fall von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, und blaues Licht vom LED-Chip konnte effizient aus dem LED-Element nach außen gebracht werden.
  • (Beispiel 6)
  • Eine Vielzahl blauer LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 446 nm und derselben Lichtemissionsstärke wurde erstellt. Anstelle des YAG:Ce-Phosphors in Beispiel 1 wurde ein β-SiAlON:Eu-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm verwendet, um die Phosphorschicht zu bilden, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten ausgefüllt wurden. Es ist anzumerken, dass die Dicke der Phosphorpartikelschicht ungefähr 30 µm betrug und das Flächengewicht des Phosphors 5,0 mg/cm2 betrug. Weiter wurde ein LED-Element nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 4 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 5)
  • Ähnlich Beispiel 6 wurden blaue LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 446 nm und derselben Lichtemissionsstärke und dem β-SiAlON:Eu-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm verwendet, um ein LED-Element nach einem ähnlichen Verfahren wie dem beim Vergleichsbeispiel 1 verwendeten fertigzustellen, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 4 gezeigt. Anzumerken ist, dass die Phosphorschicht, die ein Silikonharz verwendete, eine Dicke von 180 µm aufwies, der Phosphor 8,6 Vol.-% in der Phosphorschicht ausmachte und das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 5,0 mg/cm2 betrug.
  • 34 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsmessung (2θ/ω-Abtastung) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 6. Wie in 34 gezeigt, wurden, verglichen mit Beugungsspitzen des Phosphors und Beugungsspitzen des Zinkoxids außerhalb der c-Ebene, bedeutend hohe Spitzen von Zinkoxid (002) und Zinkoxid (004) erfasst. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass Zinkoxid in der Phosphorschicht von Beispiel 6 ein bedeutend hohes Ausmaß an c-Achsen-Orientierung aufwies. Weiter wurde nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten die volle Breite beim halben Maximum der Schwenkkurve von Zinkoxid (002) des Wellenlängen-Umwandlungselements von Beispiel 6 gemessen. Die volle Breite beim halben Maximum der Schwenkkurve von Zinkoxid (002) von Beispiel 6 betrug 2,5°.
  • 35 ist ein unter einem REM beobachtetes Bild eines Schnitts durch eine Phosphorschicht um eine Grenzfläche zu einem Substrat in Beispiel 6. Eine Probe ist in einem Bruchquerschnitt der Phosphorschicht betrachtet, und somit sind Stellen, die in dem betrachteten Bild wie runde Vertiefungen aussehen, Spuren, in denen die Phosphorpartikel eingebettet waren, und es ist angenommen, dass sich der Phosphor auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Bruchprobe befindet. Wie aus 35 deutlich, ist das Innere der Phosphorschicht dicht mit Zinkoxid ausgefüllt. Weiter sind vertikale Korngrenzen in Zinkoxid in der Phosphorschicht zu beobachten. Dies zeigt, dass Zinkoxid durch Lösungszüchtung zu säulenförmigen Kristallen wuchs. Aus 35 ist ein Zustand zu ersehen, in dem Zinkoxid in engem Kontakt mit der ZnO-Unterschicht gehalten ist, und Zinkoxid ist von der ZnO-Unterschicht aus kristallgezüchtet, sodass säulenförmige Zinkoxid-Kristalle Zwischenraum um die Phosphorpartikel ausfüllen. Dies ermöglichte die Bestätigung, dass, selbst wenn β-SiAlON als der Phosphor verwendet wurde, säulenförmige Zinkoxid-Kristalle mit nur einer geringen Anzahl von Korngrenzen in der Richtung der Lichtemission angeordnet werden konnten.
  • Tabelle 4 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente von Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 5 dar.
  • [Tabelle 4]
    Probe Anregungsquelle Lichtemissionsstärke
    Beispiel 6 Phosphor (β-SiAlON) + säulenförmige LED-Chip Lichtemissionswellenlänge 122
    Zinkoxid-Kristalle in c-Achsen-Orientierung 446 nm
    Vergleichsbeispiel 5 Phosphor (β-SiAlON) + Silikonharz LED-Chip Lichtemissionswellenlänge 446 nm 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in den beiden Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 5 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 5 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 6 betrug 122, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,2-mal so hoch wie diejenige des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 5, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden konnte, die nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Orientierung aufwiesen. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • 36 zeigt Emissionsspektren der LED-Elemente von Beispiel 6 bzw. Vergleichsbeispiel 5. Wie in 36 gezeigt, konnte in Beispiel 6 das Innere der Phosphorpartikelschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung ausgefüllt werden. Somit konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Fall des Vergleichsbeispiels 5, und Anregungslicht vom LED-Chip konnte effizient aus dem LED-Elements nach außen gebracht werden.
  • (Beispiel 7)
  • Eine Vielzahl von Halbleiterlaserchips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 446 nm und derselben Lichtemissionsstärke wurde erstellt. Die Phosphorschicht, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid ausgefüllt wurden, wurde nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten ausgebildet. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug. Wie in 13 dargestellt, wurde die Phosphorschicht durch Vereinzelung so geschnitten, dass sie zur Größe der Öffnung 304 in der Kappe 303 passte, um ein individualisiertes Wellenlängen-Umwandlungselement zu erstellen. Weiter wurde der Halbleiterlaser-Chip unter Verwendung von Lot am Block 302 angebracht, und Bonddrähte wurden verwendet, um den Halbleiterlaser-Chip 310 und die an dem Schaft 301 vorgesehenen Anschlussdrähte 305 elektrisch zu verbinden. Dann wurden die Öffnung 304 und Enden des individualisierten Wellenlängen-Umwandlungselements mit einem Klebstoff befestigt, sodass die Seite des Substrats die Seite der Fläche 308 war, aus der Licht von dem Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil abgestrahlt wird, um das in 13 dargestellte Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil fertigzustellen. Das fertiggestellte Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil wurde an einer Ulbrichtkugel angebracht und mit einem konstanten Strom von 30 mA betrieben. Somit wurde die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 5 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 6)
  • Nach einem Verfahren ähnlich dem in Vergleichsbeispiel 1 verwendeten wurde eine Phosphorschicht gebildet, in der der Phosphor in dem Silikonharz dispergiert war. Danach wurden, ähnlich dem Beispiel 7, Halbleiterlaserchips mit einer Lichtemissionswellenlänge von 446 nm und derselben Lichtemissionsstärke verwendet, um ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil fertigzustellen, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 5 gezeigt. Anzumerken ist, dass die Phosphorschicht, die das Silikonharz verwendete, eine Dicke von 90 µm aufwies und das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 3,3 mg/cm2 betrug.
  • Tabelle 5 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteile von Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 6 dar.
  • [Tabelle 5]
    Probe Anregungsquelle Lichtemissionsstärke
    Beispiel 7 Phosphor (YAG) + säulenförmige Zinkoxid-Kristalle in der c-Achsen-Orientierung Halbleiterlaser-Chip Lichtemissions-wellenlänge 446 nm 119
    Vergleichsbeispiel 6 Phosphor (YAG) + Silikonharz Halbleiterlaser-Chip Lichtemissions-wellenlänge 446 nm 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in den beiden Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils außer dem Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil von Vergleichsbeispiel 6 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils des Vergleichsbeispiels 6 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 7 betrug 119, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,19-mal so hoch wie diejenige des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils des Vergleichsbeispiels 6, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden konnte, die nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Orientierung aufwiesen. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • Die 37(a) und 37(b) zeigen Emissionsspektren der Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteile von Beispiel 7 bzw. Vergleichsbeispiel 6. 37(a) ist eine vergrößerte Ansicht um Anregungslicht aus den Halbleiterlaserchips, und 37(b) eine vergrößerte Ansicht um Fluoreszenz, die durch Anregungslicht angeregt ist. Wie in den 37(a) und 37(b) gezeigt, konnte in Beispiel 7 das Innere der Phosphorpartikelschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung ausgefüllt werden, und somit konnte Lichtstreuung in, der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Fall des Vergleichsbeispiels 6, und Anregungslicht vom Halbleiterlaser-Chip konnte effizient aus dem Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil nach außen gebracht werden.
  • (Beispiel 8)
  • Der β-SiAlON:Eu-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm wurde verwendet, um die Phosphorschicht zu bilden, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 6 verwendeten ausgefüllt wurden. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 5,0 mg/cm2 betrug. Weiter wurde nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 7 verwendeten ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 6 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 7)
  • Der β-SiAlON:Eu-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm wurde verwendet, um die Phosphorschicht fertigzustellen, in der der Phosphor im Silikonharz nach einem Verfahren ähnlich dem in Vergleichsbeispiel 5 verwendeten dispergiert wurde. Danach wurde nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel, 7 verwendeten ein Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 6 gezeigt. Anzumerken ist, dass die Phosphorschicht, die das Silikonharz verwendete, eine Dicke von 180 µm aufwies und das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 5,0 mg/cm2 betrug.
  • Tabelle 6 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteile von Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 7 dar. [Tabelle 6]
    Probe Anregungsquelle Lichtemissionsstärke
    Beispiel 8 Phosphor (ß-SiAlON) + säulenförmige Zinkoxid-Kristalle in der c-Achsen-Orientierung Halbleiterlaser-Chip Lichtemissionswellenlänge 446 nm 141
    Vergleichsbeispiel 7 Phosphor (ß-SiAlON) + Silikonharz Halbleiterlaser-Chip Lichtemissionswellenlänge 446 nm 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in den beiden Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils außer dem Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil von Vergleichsbeispiel 7 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 7 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 8 betrug 141, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,41-mal so hoch wie diejenige des Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteils des Vergleichsbeispiels 7, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden konnte, die nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Orientierung aufwiesen. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • Die 38(a) und 38(b) zeigen Emissionsspektren der Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteile von Beispiel 8 bzw. Vergleichsbeispiel 7. 38(a) ist eine vergrößerte Ansicht um Anregungslicht aus den Halbleiterlaserchips, und 38(b) eine vergrößerte Ansicht um Fluoreszenz, die durch Anregungslicht angeregt ist. Wie in den 38(a) und 38(b) gezeigt, konnte in Beispiel 8 das Innere der Phosphorpartikelschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung ausgefüllt werden. Somit konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht stärker unterdrückt werden als im Fall des Vergleichsbeispiels 7, und Anregungslicht vom Halbleiterlaser-Chip konnte effizient aus dem Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil nach außen gebracht werden.
  • (Beispiel 9)
  • Eine Vielzahl blauer LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 430 nm und derselben Lichtemissionsstärke wurde erstellt. Ein LED-Element wurde nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten fertiggestellt, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 3,3 mg/cm2 betrug. Das Ergebnis ist in Tabelle 7 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 8)
  • Ähnlich dem Fall von Beispiel 9 wurden blaue LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 430 nm und derselben Lichtemissionsstärke verwendet, um ein LED-Element nach einem ähnlichen Verfahren wie dem beim Vergleichsbeispiel 1 verwendeten fertigzustellen, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 7 gezeigt. Anzumerken ist, dass die Phosphorschicht, die das Silikonharz verwendete, eine Dicke von 90 µm aufwies und das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 3,3 mg/cm2 betrug.
  • Tabelle 7 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente von Beispiel 9 und Vergleichsbeispiel 8 dar.
  • [Tabelle 7]
    Probe Anregungsquelle Lichtemissionsstärke
    Beispiel 9 Phosphor (YAG) + säulenförmige Zinkoxid-Kristalle in der c-Achsen-Orientierung LED-Chip Lichtemissionswellenlänge 430 nm 112
    Vergleichsbeispiel 8 Phosphor (YAG) + Silikonharz LED-Chip Lichtemissionswellenlänge 430 nm 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in den beiden Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 8 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 8 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 9 betrug 112, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,12-mal so hoch wie diejenige des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 8, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden konnte, die nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Orientierung aufwiesen. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • (Beispiel 10)
  • Eine Vielzahl blauer LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 430 nm und derselben Lichtemissionsstärke wurde erstellt. Der β-SiAlON:Eu-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm wurde verwendet, um ein LED-Element nach einem Verfahren ähnlich dem in Beispiel 6 verwendeten fertigzustellen, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Anzumerken ist, dass das Flächengewicht des Phosphors 5,0 mg/cm2 betrug. Das Ergebnis ist in Tabelle 8 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 9)
  • Ähnlich dem Fall von Beispiel 10 wurden blaue LED-Chips mit einer Lichtemissions-Wellenlänge von 430 nm und derselben Lichtemissionsstärke und der β-SiAlON:EU-Phosphor mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 µm verwendet, um ein LED-Element nach einem ähnlichen Verfahren wie dem beim Vergleichsbeispiel 5 verwendeten fertigzustellen, und die Lichtemissionsstärke des gesamten Strahlungsflusses des LED-Elements wurde gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 8 gezeigt. Anzumerken ist, dass die Phosphorschicht, die das Silikonharz verwendete, eine Dicke von 180 µm aufwies und das Flächengewicht des Phosphors, berechnet ähnlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 1, 5,0 mg/cm2 betrug.
  • Tabelle 8 legt das Ergebnis der Lichtemissionsstärken der LED-Elemente von Beispiel 10 und Vergleichsbeispiel 9 dar.
  • [Tabelle 8]
    Probe Anregungsquelle Lichtemissionsstärke
    Beispiel 10 Phosphor (ß-SiAlON) + säulenförmige Zinkoxid-Kristalle in der c-Achsen-Orientierung LED-Chip Lichtemissions-wellenlänge 430 nm 115
    Vergleichsbeispiel 9 Phosphor (ß-SiAlON) + Silikonharz LED-Chip Lichtemissions-wellenlänge 430 nm 100
  • Das Flächengewicht des Phosphors wurde so eingestellt, dass es in den beiden Proben gleich war. Die Lichtemissionsstärke des LED-Elements außer dem LED-Element des Vergleichsbeispiels 9 ist so ausgedrückt, dass die Lichtemissionsstärke des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 9 mit 100 angenommen ist. Die Lichtemissionsstärke von Beispiel 10 betrug 115, und die erhaltene Lichtemissionsstärke war 1,15-mal so hoch wie diejenige des LED-Elements des Vergleichsbeispiels 9, das die Phosphorschicht verwendete, in der die Phosphorpartikel in dem Silikonharz dispergiert waren. Dies ist der Fall, weil das Innere der Phosphorschicht dicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt werden konnte, die nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen in der c-Achsen-Orientierung aufwiesen. Daher konnte Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt werden.
  • (Auswertung der Lichtdurchlässigkeit von Zinkoxid)
  • Auf einem Glassubstrat mit der darauf gebildeten ZnO-Unterschicht, die dieselbe war wie die in Beispiel 1 verwendete, wurde die Phosphorpartikelschicht nicht gebildet, und nur eine Zinkoxidschicht wurde durch Kristallzüchtung unter Verwendung von Lösungszüchtung ausgebildet, die ähnlich der in Beispiel 1 verwendeten war. Die Dicke der Zinkoxidschicht betrug etwa 20 µm. Die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht wurde unter Verwendung eines Glassubstrats ohne darauf gebildete Zinkoxidschicht als Referenz in einem Wellenlängenbereich von 330 nm bis 800 nm gemessen. Die ZnO-Unterschicht wurde auch auf einem Saphirsubstrat anstelle des Glassubstrats nach einem ähnlichen Verfahren wie dem in Beispiel 1 verwendeten gebildet, und eine Zinkoxidschicht von etwa 20 µm wurde durch Lösungszüchtung gebildet, die ähnlich der in Beispiel 1 benutzten war. Die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Saphirsubstrat wurde auch unter Verwendung eines Saphirsubstrats als Referenz gemessen.
  • 39 zeigt Transmissionsspektren von Zinkoxidschichten auf einem Glassubstrat bzw. einem Saphirsubstrat. Wenn die Wellenlänge 470 nm war, betrug die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Glassubstrat 90 %, und die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Saphirsubstrat betrug 95 %. Wenn die Wellenlänge 430 nm war, betrug die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Glassubstrat 88 %, und die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Saphirsubstrat betrug 94 %. Wenn die Wellenlänge 420 nm war, betrug die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Glassubstrat 87 %, und die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Saphirsubstrat betrug 92 %. Wenn die Wellenlänge 400 nm war, betrug die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Glassubstrat 72 %, und die Lichtdurchlässigkeit der Zinkoxidschicht auf dem Saphirsubstrat betrug 75 %.
  • Die Lichtdurchlässigkeit der durch Lösungszüchtung gebildeten Zinkoxidschicht ist bedeutend hoch, und die Lichtdurchlässigkeit beträgt 72 % oder mehr im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 420 nm von blau-violettem Licht. Somit kann, selbst wenn das Anregungslicht blau-violettes Licht ist, die Phosphorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung angeregt werden. Weiter beträgt in dem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 470 nm des blauen Lichts die Lichtdurchlässigkeit 87 % oder mehr. Somit kann die Phosphorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung effizienter angeregt werden, wenn das Anregungslicht blaues Licht ist, als wenn das Anregungslicht blau-violettes Licht ist.
  • Wie aus den oben erwähnten experimentellen Beispielen zu verstehen ist, wurde bezüglich der Phosphorschicht, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung mit einer Neigung der c-Achse von 4° oder weniger ausgefüllt waren, Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt, und das LED-Element, das das Wellenlängen-Umwandlungselement verwendete, das die Phosphorschicht enthielt, erreichte hohe Lichtemissionsstärke.
  • Weiter wies die Phosphorschicht, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit einkristallinem Zinkoxid ausgefüllt waren, keine Korngrenze auf, und Lichtstreuung in der Phosphorschicht wurde stärker unterdrückt als im Falle der Phosphorschicht, bei der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen ausgefüllt waren. Das LED-Element, das das Wellenlängen-Umwandlungselement verwendete, das die Phosphorschicht enthielt, erreichte noch höhere Lichtemissionsstärke. Weiter wurde bezüglich der Phosphorschicht, in der der Zwischenraum in der Phosphorpartikelschicht mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung mit der Neigung der c-Achse von 4° oder weniger ausgefüllt war, Lichtstreuung in der Phosphorschicht unterdrückt, und das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil, das das Wellenlängen-Umwandlungselement verwendete, das die Phosphorschicht enthielt, erreichte hohe Lichtemissionsstärke.
  • Weiter unterdrückte die Phosphorschicht, in der die Zwischenräume zwischen den Phosphorpartikeln mit säulenförmigen Zinkoxid-Kristallen in der c-Achsen-Orientierung mit einer Neigung der c-Achse von 4° oder weniger ausgefüllt waren, Lichtstreuung in der Phosphorschicht nicht nur, wenn der YAG-Phosphor als der Phosphor verwendet wurde, sondern auch, wenn der β-SiAlON-Phosphor als der Phosphor verwendet wurde, und das LED-Element und das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil, die das Wellenlängen-Umwandlungselement verwendeten, das die Phosphorschicht enthielt, erreichten hohe Lichtemissionsstärke.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Wellenlängen-Umwandlungselement, das LED-Element und das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil, die die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Phosphorschicht enthalten, sind in Beleuchtung, einen Frontscheinwerfer für ein Fahrzeug, ein Tagesfahrlicht für ein Fahrzeug, ein Display oder einen Projektor eingebaut. Weiter ist das Farbrad gemäß der vorliegenden Erfindung in einen Projektor eingebaut.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 41
    Substrat
    2
    dünne Schicht aus Zinkoxid
    3
    Phosphor
    4
    Phosphorpartikelschicht
    5
    Zinkoxid in c-Achsen-Orientierung
    6
    Wellenlängen-Umwandlungselement, aus Zinkoxid in c-Achsen-Orientierung ausgebildet
    7,
    7' Phosphorschicht
    7a,
    7b Hauptebene der Phosphorschicht
    42
    dünne Schicht, aus einkristallinem Zinkoxidausgebildet
    45
    einkristallines Zinkoxid
    46
    Wellenlängen-Umwandlungselement, aus einkristallinem Zinkoxid ausgebildet
    50 60
    Wellenlängen-Umwandlungselement LED-Element
    61
    Träger
    62
    LED-Chip
    62a
    Substrat
    62b
    n-GaN-Schicht
    62c
    Licht emittierende Schicht
    62d
    p-GaN-Schicht
    63
    Oberfläche, von der Licht vom LED-Chip abgestrahlt wird
    64
    Lot
    65
    Bonddraht
    66
    Elektrode
    67
    Oberfläche, von der Licht vom LED-Element abgestrahlt wird
    68
    Oberfläche, in die Licht vom LED-Element eintritt
    70,
    80 LED-Chip
    71
    Substrat des Licht emittierenden Halbleiterelements
    72
    Licht emittierendes Halbleiterelement
    73
    Licht emittierende Schicht des Licht emittierenden Halbleiterelements
    74
    Kristall-Trennschicht
    75
    Wellenlängen-Umwandlungselement, aus Zinkoxid in c-Achsen-Orientierung ausgebildet
    95
    Wellenlängen-Umwandlungselement, aus einkristallinem
    Zinkoxid
    ausgebildet
    301
    Schaft
    302
    Block
    303
    Kappe
    304
    Öffnung
    305
    Anschlussdraht
    307
    Oberfläche, in die Licht vom Halbleiterlaser-Chip eintritt
    308
    Oberfläche, von der Licht vom Laserlicht emittierenden Halbleiterbauteil abgestrahlt wird
    310
    Halbleiterlaser-Chip
    330
    Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil
    400
    Farbrad
    410
    Scheibe
    411
    Öffnung
    412
    Lichtabschirmbereich
    420, 421
    Linse
    430
    Radmotor
    500
    Lichtquelle
    501
    rote Lichtquelle
    502
    blaue Lichtquelle
    510
    Ausgangslicht
    511, 512
    dichroitischer Spiegel
    521, 522
    Spiegel

Claims (27)

  1. Wellenlängen-Umwandlungselement, umfassend: eine Vielzahl von Phosphorpartikeln; und eine Matrix, die sich zwischen der Vielzahl von Phosphorpartikeln befindet und aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung oder einkristallinem Zinkoxid gebildet ist.
  2. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 1, umfassend eine Phosphorschicht, die eine Vielzahl von Phosphorpartikeln und die Matrix umfasst.
  3. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 2, weiter umfassend eine dünne Schicht, die in Kontakt mit der Phosphorschicht steht und aus Zinkoxid gebildet ist.
  4. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 3, weiter umfassend ein Substrat, das in Kontakt mit der dünnen Schicht steht, wobei sich die dünne Schicht zwischen der Phosphorschicht und dem Substrat befindet.
  5. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 2, weiter umfassend ein Substrat, das in Kontakt mit der Phosphorschicht steht.
  6. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Substrat aus einem ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glas, Quarz, Siliziumoxid, Saphir, Galliumnitrid und Zinkoxid besteht.
  7. Wellenlängen-Umwandlungselement nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Halbwertsbreite der Rockingkurve einer c-Achse des Zinkoxids unter Verwendung des Röntgen-Beugungsverfahrens (XRD) 4,5° oder weniger beträgt.
  8. Wellenlängen-Umwandlungselement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zinkoxid aus säulenförmigen Kristallen besteht.
  9. Wellenlängen-Umwandlungselement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei das einkristalline Zinkoxid in der c-Achsen-Orientierung vorliegt.
  10. Wellenlängen-Umwandlungselement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vielzahl von Phosphorpartikeln mindestens eins enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (YAG-Phosphor) und β-SiAlON besteht.
  11. LED-Element, umfassend: ein Licht emittierendes Halbleiterelement zum Abstrahlen von Anregungslicht; und das Wellenlängen-Umwandlungselement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, in das das von dem Licht emittierenden Halbleiterelement abgestrahlte Anregungslicht eintritt.
  12. LED-Element nach Anspruch 11, wobei das Wellenlängen-Umwandlungselement direkt auf dem Licht emittierenden Halbleiterelement ausgebildet ist.
  13. LED-Element nach Anspruch 11, weiter umfassend eine Kristall-Trennschicht, die sich zwischen dem Wellenlängen-Umwandlungselement und dem Licht emittierenden Halbleiterelement befindet.
  14. LED-Element nach Anspruch 13, wobei die Kristall-Trennschicht aus einem amorphen Material ausgebildet ist, das Siliziumdioxid als Hauptbestandteil enthält.
  15. LED-Element nach Anspruch 14, wobei die Kristall-Trennschicht durch Plasmagasphasenabscheidung ausgebildet ist.
  16. LED-Element nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Licht emittierende Halbleiterelement umfasst: eine n-GaN-Schicht; eine p-GaN-Schicht; und eine Licht emittierende, aus InGaN gebildete Schicht, wobei die Licht emittierende Schicht zwischen der n-GaN-Schicht und der p-GaN-Schicht liegt.
  17. LED-Element nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Anregungslicht Licht in einem Wellenlängenband von Blau oder Blau-Violett ist.
  18. LED-Element nach Anspruch 17, wobei: die Vielzahl von Phosphorpartikeln einen blauen Phosphor und einen gelben Phosphor umfasst; das Anregungslicht das Licht im Wellenlängenband von Blau-Violett ist; und der blaue Phosphor durch Anregen des blauen Phosphors durch das Anregungslicht blaues Licht abstrahlt, und der gelbe Phosphor durch Anregen des gelben Phosphors durch das Anregungslicht oder das blaue Licht gelbes Licht abstrahlt.
  19. Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil, umfassend: einen Halbleiterlaserchip zum Abstrahlen von Anregungslicht; und das Wellenlängen-Umwandlungselement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, in das das von dem Halbleiterlaser-Chip abgestrahlte Anregungslicht eintritt.
  20. Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil nach Anspruch 19, wobei das Anregungslicht Licht in einem Wellenlängenband von Blau oder Blau-Violett ist.
  21. Laserlicht emittierendes Halbleiterbauteil nach Anspruch 20, wobei: die Vielzahl von Phosphorpartikeln einen blauen Phosphor und einen gelben Phosphor umfasst; das Anregungslicht das Licht im Wellenlängenband von Blau-Violett ist; und der blaue Phosphor durch Anregen des blauen Phosphors durch das Anregungslicht blaues Licht abstrahlt, und der gelbe Phosphor durch Anregen des gelben Phosphors durch das Anregungslicht oder das blaue Licht gelbes Licht abstrahlt.
  22. Fahrzeug, umfassend: das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil nach einem beliebigen der Ansprüche 19 bis 21; und eine Stromversorgung, um das Laserlicht emittierende Halbleiterbauteil mit elektrischer Energie zu versorgen.
  23. Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängen-Umwandlungselements, umfassend folgende Schritte: (a) Ausbilden einer Phosphorpartikelschicht auf einer dünnen Schicht aus Zinkoxid in einer c-Achsen-Orientierung; und (b) Ausfüllen von Zwischenräumen zwischen den Phosphorpartikeln mit Zinkoxid unter Verwendung von Lösungszüchtung, um eine Phosphorschicht auszubilden.
  24. Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängen-Umwandlungselements nach Anspruch 23, wobei die Halbwertsbreite (FWHM)der Rockingkurve einer c-Achse der dünnen Schicht aus Zinkoxid unter Verwendung des Röntgen-Beugungverfahrens (XRD) 4,5° oder weniger beträgt.
  25. Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängen-Umwandlungselements nach Anspruch 23 oder 24, wobei die dünne Schicht aus Zinkoxid ein epitaktisch aufgewachsener Einkristall ist.
  26. Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängen-Umwandlungselements nach einem beliebigen der Ansprüche 23 bis 25, wobei der Schritt des Ausbildens einer Phosphorpartikelschicht in Elektrophorese besteht.
  27. Verfahren zum Herstellen eines Wellenlängen-Umwandlungselements nach einem beliebigen der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Phosphorpartikel mindestens eins umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor (YAG-Phosphor) und β-SiAlON besteht.
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