JP2002533938A - 励起蛍光体を有する可視光出力発生用の高効率固体発光装置 - Google Patents
励起蛍光体を有する可視光出力発生用の高効率固体発光装置Info
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Abstract
Description
プレー用等の発光装置に関する。
一つは陰極線管である。この陰極線管はテレビジョン若しくはコンピュータモニ
ターの応用品として長年使用されている。
ルギー消費と超高真空環境の不要性のために、LCDは携帯用コンピュータ若し
くは腕時計、計算機、計器盤等の特殊目的の応用品において広く使用されている
。LCDの限界は典型的に背面照明あるいは外部照明を要することにある。更に
色彩、輝度、コントラストのような幾つかのディスプレー特性が視角に依存する
点に存在し得る。
は気体プラズマUV源と蛍光体スクリーンが含まれる。気体プラズマUV源は蛍
光体スクリーン内の蛍光体を励起し、可視光出力を発生させるために用いる。P
D装置の限界はこの気体プラズマUV源が真空環境と高電圧とを要することであ
る。
同様にFED装置も蛍光体を励起して可視光の出力を生じる。しかしながらPD
装置とは異なったFED装置は電界誘導電子の放出を利用する。電子誘導電子の
放出は典型的に真空環境内でのみ達成し得る。従ってPD装置と同様にFED装
置も真空環境を必要とする。
若しくはFED装置と同様に、EL装置も蛍光体を励起して可視光出力を生じる
が、PD装置あるいはFED装置とは異なってEL装置は電流の直接注入を用い
て蛍光体を励起する。電流の直接注入は真空環境を必要としないが、EL装置は
色彩発光スペクトルが制限される。
ンツ他には蛍光体層にUVを放射する固体GaN基材型UV発光ダイオード(L
ED)が提供される。このUV−LEDは蛍光体層を励起して可視光出力を発生
する。上記のメンツ他ではLED,PD,FED,EL型の各装置を越える多数
の利点を有する。第1にメンツ他ではLCD型装置が必要となるような背面照明
あるいは外部照明を必要としない。更にメンツ他ではPD型、FED型の各装置
が必要とする真空源ないしは高電圧電力源を必要としない。最終的にメンツ他の
蛍光体励起型固体GaN基材型UV−LEDはEL型装置より色彩範囲を広くし
得る。
ある実施形態では大部分のUV放射が蛍光体層に向けられない。これは装置の効
率を下げる。また実際上に蛍光体に入るUV放射の一部が蛍光体を通過して他側
の外に出る。この通過UV放射もまた装置の効率を減じる。更に整列させた装置
群ではその一つから漏れ出たUV放射が隣の装置の蛍光体に衝突して、隣接の装
置には不都合な可視光が発生してしまう。この光学的漏出は多くのディスプレー
応用では望ましくない。
を提供して従来技術の多くの不利点を克服する。これを達成するために本発明は
蛍光体層に隣接して反射体を設け蛍光体を通過するUV放射の少なくとも一部を
反射させて蛍光体内に戻すことを企図する。反射体はまた蛍光体が発生した可視
光の少なくとも一部を所望の可視光出力に向けて反射させる。他の実施形態では
反射源を少なくとも部分的に可視光発生蛍光体によって包囲する。この形態は能
動領域から発した更なる放射が蛍光体材料に到達してこれと相互作用する。
に位置させる。放射源は望ましくは透明な基板上に形成したUV発光ダイオード
(LED)である。反射体は蛍光体層の上に位置させ、蛍光体を通過する放射の
少なくとも一部を反射させて蛍光体内に戻す。また反射体は蛍光体から発した可
視光の少なくとも一部を透明基板に向けて反射させ、視認させる。一部の実施形
態では反射体を導電性とし、反射体並びに放射源との連続層の相手側として機能
する。
部分的に包囲した能動領域を有する。適切なバイアス下では能動領域は励起放射
を可視光発生蛍光体に向けて行う。能動領域は少なくとも一部が可視光発生蛍光
体によって外囲されているため、能動領域が発生したより多くの放射を蛍光体材
料と相互に作用し、これを励起する。これが発光装置の全効率を上げる補助要素
となる。
を持った柱状部を有することになる。能動領域は柱状部分のいずれかに配置され
る。蛍光体層が次いで柱状部分の一以上の側壁の周りに置かれて、能動領域の周
囲の少なくとも一部を取り囲む。反射体は蛍光体層上とその周りに設けられ、装
置の効率が向上することを補助する。
とが企図される。このようなディスプレーでは、各々一以上の励起可能な、可視
光発生蛍光体を含む蛍光体セグメント群の列が放射源群の対応列に隣接して位置
せしめられる。各放射源は多数の行列接続層を介して個々にアドレスさせること
が望ましい。従って放射源は選択した蛍光体セグメントのみに放射を行うよう制
御される。行列接続層はまた蛍光体セグメントの各々に隣接する反射体としても
作用する。放射源が上面と一以上の側壁を持つ柱状部分を有する実施形態では、
反射体が蛍光体層上とその周りとに延びるように構成する。これは1ピクセルに
発生したUV放射が隣接するピクセルの蛍光体に衝突しないようにする。
に詳述する説明が進むに従い容易に理解されよう。尚図において同一の番号は同
一の部分を示す。
光ダイオード(LED)(UV・LED)の一部を切り開いて示す斜視図である
。UV・LEDはP−AlGaN層20、N−AlGaN層22及びその間に配
設される活性領域24とで構成される。活性領域24は以下に詳述するが、Ga
N・AalGaNダブルヘテロ構造体あるいは複数の量子井戸を含む。UV・L
EDは好ましくはサファイア等から作られた透明な基板26上に成長される。好
ましい実施形態においてN−AlGaN層22、活性領域24、ビアP−AlG
aN層20の一部はエッチングされて除去され、側壁34A、34Bが形成され
る。
Bも被覆される。UV光線により励起されると、燐光物質被覆は好ましくは赤、
緑、青の色を有する可視光線を発光する。次に金属反射体36が図示のように燐
光物質被覆30の上部に設けられ、好ましくは燐光物質被覆30の側部に沿って
設けられる。反射体の側部37A、37Bにより、アレイ内の隣接するピクセル
間が光学的に遮断される。
線の少なくとも一部を反射する。反射体36はまた燐光物質被覆30から発光さ
れた可視光線の少なくとも一部を観察用に透明基板26へと反射する。従って反
射体36により装置の効率が増加される。
が使用でき、このため蒸着プロセスを簡略化しパターン化された燐光物質の構造
全体にわたり次の層をパターン化することにより製造コストが低減できる。また
反射体により与えられる効率が増加されるので、効率の悪い燐光物質も使用でき
る。効率の悪い燐光物質はコストが安く、良いスペクトル特性が得られる。反射
体により可能な効率向上のため、別のUV光線発光材料も使用できる。この別の
UV光線発光材料はその強度は低くUV光線のフォトンも低いが、製造コストは
安価になる。最後に反射体を用いて燐光物質を密封し大気劣化に敏感な燐光物質
も使用できるものと考え得る。
。UVミラー46は可視光線が透明基板26を通過できるが活性領域24から発
光されたUV光線を反射するように調整可能である。従ってUV光線はUVミラ
ー46と反射体36との間に効果的に捕握される。この結果UV光線の大半が最
終的に燐光物質被覆と作用し可視光線を発生する。図6に関連して詳しく説明す
るが、UミラーとしてがP−N接合形成の前に成長された多くのGaN・AlG
aN1・4波スタックで構成される分布型ブラッグレフレクタ(DBR)が援用
できるものと考えられる。
少なくとも一の端子に対し電気的に接続される。反射体36がUV光線及び可視
光線の大半を反射するアルミニウムから作られ、また導電性であることが考えら
れる。図示の実施形態では反射体36はPオーミックコンタクト38を介しP−
AlGaN層(第1のコンタクト領域)に対し電気的に接続するように機能する
。従って反射体36は一方の方向(縦)のバスラインとして機能する。他方の方
向(横)のバスラインはUV・LEDのUV・LED上部の反射体36と重なる
ように示す金属ストリップ40により与えられる。N−オーミックコンタクト5
0が燐光物質被覆30及び反射体36を含まない会報領域内のN−AlGaN層
22の上面上に与えられる。金属ストリップ40はN−オーミックコンタクト5
0を介しN−A1GaN層(第2のコンタクト領域)に対し連結するように機能
する。第1及び第2の金属層36、40は絶縁層42(例えばSiO2)により
分離されている。
には燐光物質セグメント60A、60B、60Cが含まれ、それぞれ1以上の励
起可能で可視光線を発光する燐光物質を有する。燐光物質セグメント60A、6
0B、60CからなるアレイはUV・LED光源62A、62B、62Cからな
る対応するアレイに隣接して配置される。UV・LED光源62A、62B、6
2Cは対応する燐光物質セグメント60A、60B、60Cに対し選択的に放射
線を与えそれから発光される可視光線を励起可能に設けられる。
のコンタクト領域を有する。多くの横コンタクト層64A、64B、64Cが与
えられ、この場合各横コンタクト層によりアレイの対応する横と連係する放射線
光源の第1のコンタクト領域65A、64Bが電気的に接続される。同様に多く
の縦コンタクト層66A、66B、66Cが与えられ、この場合各縦コンタクト
層66A、66B、66Cが相当する縦と連係する放射線光源の燐光物質セグメ
ント60A、60B、60Cの少なくとも一部に対し設けられる。また縦コンタ
クト層66A、66B、66Cにより、相当する縦と連係する各放射線光源の第
1のコンタクト領域68A、68Bが電気的に接続される。上述したように縦コ
ンタクト層66A、66B、66Cは反射性であり、対応する燐光物質セグメン
ト60A、60B、60Cから出て燐光物質セグメント60A、60B、60C
内に戻るUV光線ないしは可視光線の少なくとも一部を反射すると考えられる。
い燐光物質ストリップであり、この場合その長さはアレイの共通する縦と連係す
る放射線装置と整合される。あるいは燐光物質ストリップは図1及び図2に示す
ように個々の燐光物質セグメントにできる。
リップであり、この場合その長さはアレイの共通する縦と連係する放射線装置と
整合される。あるいは縦コンタクト層66A、66B、66Cは多くの個々のコ
ンタクトセグメントを含むと考えられる。最終的に横コンタクト層64A、64
B、64Cは長さ及び幅を有する長手ストリップであり、この場合その長さはア
レイの共通の横連係する放射線装置と整合される。あるいは横コンタクト層64
A、64B、64Cは多くの個々のコンタクトセグメントを含むと考えられる。
の可視光線を発生する燐光物質を含みことができる。即ち第1の横列64AのU
V・LEDは赤い可視光線を発生する。第2の横列64BのUV・LEDの燐光
物質層60Bは緑の可視光線を発する。最後に、UV・LEDの第3の横列64
Cの燐光物質層60Cは青の可視光線を発する。従ってこれにより得られる表示
装置の色はアレイの好適なUV・LEDをオンすることにより制御可能に設けら
れている。
・LEDの活性領域は1以上の励起可能な可視光線を発光する燐光物質により横
方向に外囲されて効率が増大されている。本実施形態の場合放射線光源は可視光
線を発光する燐光物質82により外囲される活性領域80を有する。活性領域8
0は適切にバイアスが与えられると、可視光線を発光する燐光物質82に対し励
起光線を与える。活性領域80は可視光線を発光する燐光物質82により実質的
に外囲されているので、放射線の大部分が燐光物質82と相互作用し燐光物質8
2を励起する。これにより装置の効率がより向上される。
状部分を有する。活性領域80は好ましくは図示のように縦形状部分内に配置さ
れる。N−AlGaN層81は縦形状部分内に延びる上部と1以上の側壁86A
、86Bから横へ向って外側に延びる底部とを有する。活性領域80の上部には
P−AlGaN層87及びP−オーミックコンタクト領域104が設けられる。
壁86A、86Bの周囲に設けられ、これにより活性領域80の少なくとも円周
部が実質的に外囲される。本構成の場合活性領域80により発光されるUV光線
の少量のみが燐光物質層82へ配向されない。この浪費光線は光コーン90A、
90Bにより示される。光コーン90A、90Bは比較的狭いので、発光装置の
効率は増大される。
ことも考慮される。反射体92は上面94に亙り、且つ燐光物質層82の側壁9
6A、96Bの少なくとも一部に亙って延びることが好ましい。反射体92は導
電性にされ、P−GaNオーミックコンタクト104を介しP−AlGaN層8
7と電気的に接続される。絶縁層98により反射体92が下部のN−AlGaN
層81から絶縁される。
UV・LEDが狭い縦形状であるので、各ピクセルの横寸法が減少される。一方
P−N接合が燐光物質によりほとんど完全に外囲されるので、このUV・LED
も効果的に燐光物質のポンピング動作を生じさせることができる。この効率は上
述したように縦バスラインとしても機能できる金属反射体により更に向上される
。各ピクセルのサイズを更に一層減少するため、N−AlGaNあるいはN−G
aNの下部層81が高くドーピングされて十分に導電性にされ、他方の方向(即
ち横方向)のバスラインとして使用される。
ED装置を示す。図4は単一の量子井戸を有するUV・LED装置の簡略図を示
す。図示のUV・LED装置は下部のN−AlGaN層110、上部のP−Al
GaN層112、及びその間に配置される単一のGaN量子井戸層114を含む
。下部のN−AlGaN層110は0%より大きく50%未満のAlモル分率を
有することが好ましい。上部のP−AlGaN層112は0%より大きく20%
未満のAlモル分率を有することが好ましい。単一量子井戸は好ましくはGaN
量子井戸であり、その厚さは20オングストローム〜200オングストロームで
ある。所望の波長により、GaN量子井戸材料をInGaNと交換することが望
ましい。単一量子井戸もまた20オングストローム〜200オングストローム間
の厚さを有する。
、P−GaNオーミックコンタクト層116が設けられる。同様にN−AlGa
N層110に対し低抵抗のコンタクトを与えるためにN−GaNオーミックコン
タクト層が設けられる(図示せず)。
形態の場合下部のN−AlGaN層120は0%より大きく50%未満のAlモ
ル分率を有する。上部のP−AlGaN層122は0%より大きく30%未満の
Alモル分率を有する。複数のGaN量子井戸124はそれぞれ20オングスト
ローム〜200オングストロームの間の厚さを有し、0%より大きく50%未満
のAlモル分率を有するAlGaNバリア層126により分離されている。所望
の波長によりGaN量子井戸材料及びAlGaNバリア層をそれぞれInGaN
及びInAlGaNと置換することが好ましい。InGaN量子井戸はそれぞれ
0%より大きく10%未満のAlモル分率を有し、厚さが20オングストローム
〜200オングストローム間である。InGaNバリア層は0%以上且つInG
aN量子井戸のモル分率未満のInモル分率を有する。
て説明した実施形態と関連して使用可能である。UVミラーは交互するGaN層
及びAlGaN層のスタックを含みそれぞれの層はUV・LED発光のピーク波
長の1/4の光学波長を有することが好ましい。これによりUVミラーはUV光
線を反射するが燐光物質から発光する可視光線を相対的に通過させる。図示の実
施形態の場合λはUV・LEDピーク波長であり、n1はAlGaNの屈折率で
あり、n2は波長λでのGaNの屈折率である。
実施形態に応用可能であることは当業者に容易に理解されよう。
発光装置の一部を切り開いて示す斜視図である。
図である。
EDの能動領域を有する他の固体UV発光装置を一部を切り開いて示す斜視図で
ある。
。
図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 2つの対向側面を有し且つ1つ以上の励起可能な発光蛍光体
を含む蛍光体層と、蛍光体層の2つの対向する側面の第1の側面に隣接して位置
せしめられて蛍光体層からの発光を励起する放射を行うと共に、第1の接続領域
と第2の接続領域とを有する放射源と、蛍光体層の2つの対向する側面の第2の
側面に隣接して設けられて蛍光体層から出る放射と発光の少なくとも一部を反射
させて蛍光体層に戻らせる反射体とを備える発光装置。 - 【請求項2】 透明基板と、1つ以上の励起可能な可視光発生蛍光体を含む
蛍光体層と、透明基板と蛍光体層との間に設けられて蛍光体層からの可視光発生
を励起する放射を行うと共に第1の接触領域と第2の接触領域とを有する放射源
と、蛍光体層の少なくとも一部上に設けられて蛍光体層を通過してきた放射の少
なくとも一部を反射させて蛍光体層内に戻すと共に、第1の接触領域と電気的に
接続された第1の接触層と、第2の接触領域と電気的に接続された第2の接触層
とを備える可視光発光装置。 - 【請求項3】 透明基板と、1つ以上の励起可能な可視光発生蛍光体を含む
蛍光体層と、透明基板と蛍光体層との間に位置せしめられて蛍光体層から可視光
発生を励起する放射を行うと共に第1の接触領域と第2の接触領域とを有する放
射源と、蛍光体層の少なくとも一部上に設けられて蛍光体層が発生する可視光の
少なくとも一部を反射させ透明基板に向けて戻すと共に、第1の接触領域と電気
的に接続された第1の接触層と、第2の接触領域と電気的に接続された第2の接
触層とを備える可視光発光装置。 - 【請求項4】 放射を行う第1の接触領域と第2の接触領域を有すると共に
上面および1つ以上の側壁を有する放射源と、放射源の1つ以上の側壁の少なく
とも一部に隣接して設けられると共に放射によって励起された時に発光を行う1
つ以上の励起可能な発光蛍光体を含む蛍光体層とを備える発光装置。 - 【請求項5】 透明基板と、各々1つ以上の励起可能な可視光発生蛍光体を
含む蛍光体セグメント列と、透明基板と蛍光体セグメント列との間に位置して対
応する蛍光体セグメントから可視光発生を励起するために放射可能に設けられる
と共に、各々第1の接触領域と第2の接触領域とを有する放射源配列と、放射源
配列の対応する列内にある放射源の蛍光体セグメントの少なくとも一部上に設け
られて対応する蛍光体セグメントから出る放射の少なくとも一部を反射させて蛍
光体セグメント内に戻すと共に、対応する列内にある放射源の第1の接触領域と
電気的に接続される多数の列接触層と、各々放射源配列の対応する行内にある放
射源の第1の接触領域と電気的に接続される多数の行接触層とを備える可視光発
光装置。
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US09/218,816 | 1998-12-22 | ||
PCT/US1999/028326 WO2000038250A1 (en) | 1998-12-22 | 1999-11-30 | Efficient solid-state light emitting device with excited phosphors for producing a visible light output |
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