JP2003249694A

JP2003249694A - 発光装置およびそれを用いた照明装置

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Publication number: JP2003249694A
Application number: JP2002048632A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Takashi Tsunekawa; 高志常川; Yoshiyuki Imada; 善之今田; Masahiko Yoshino; 正彦吉野; Tsunemasa Taguchi; 常正田口
Original assignee: Kasei Optonix Ltd; Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Kasei Optonix Ltd; Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: WO2003071610A1; JP3946541B2; TW200305296A

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＥＤと蛍光体とを組合わせて可視光を出力
するよう構成された発光装置を改善し、色調の変化が抑
制された該発光装置、およびそれを用いた照明装置を提
供すること。【解決手段】ＧａＮ系ＬＥＤ１と、該ＬＥＤ１から発
せられる光Ｌ１で励起され蛍光（可視光）Ｌ２を発する
蛍光体２とを組み合わせ、該蛍光Ｌ２を出力光とする発
光装置を構成する。このとき、該ＬＥＤ１に注入される
駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃ
ｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたとき
に、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において
０．０５以内となるように、ＬＥＤ１と蛍光体２とを選
択し、組み合わせる。ＬＥＤ１に高効率ＩｎＧａＮ系紫
外ＬＥＤを用い、蛍光体には白色蛍光体を用いることに
よって、色調変化が抑制された白色照明器具が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）と、該ＬＥＤから発せられる光で励起されて
蛍光を発する蛍光体との組合せで構成され、出力光とし
て可視光を発する発光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】種々の波長の光を発する光源を集めて配
列し、カラー画像表示装置、電飾、信号灯、照明装置な
どを構成することが従来行われている。該光源として
は、ＬＥＤや半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素
子（以下、単に発光素子ともいう）を単独で用いたもの
や、発光素子と蛍光体とを組合せたものが用いられてい
る。該蛍光体は、発光素子からの光で励起され、種々の
波長の蛍光を発するように選択されている。

【０００３】上記光源のなかでも、ＬＥＤと蛍光体とを
組合せたもの、特に白色光を出力するよう構成された所
謂白色ＬＥＤは、照明器具としては重要である。従来の
白色ＬＥＤとしては、先ず、青色ＬＥＤと黄色蛍光体と
を組み合わせたものが挙げられる。この白色ＬＥＤの構
成は、黄色蛍光体（青色光で励起され黄色光を発する蛍
光体）を分散させた第１の樹脂によって青色ＬＥＤチッ
プを覆い、さらにそれを第２の透明樹脂で砲弾型などに
モールドしたものである。このような構成によって、蛍
光体に吸収されず第１および第２の樹脂領域を通過する
青色光と、その補色関係にある蛍光体からの黄色光とが
混ざり合い、白色光が出力されているように見える。た
だし、このような白色光は、光の３原色を完全には含ん
でいないために色純度も演色性も悪い。

【０００４】これに対して、紫色から近紫外の発光をす
るＬＥＤ光源と、白色蛍光体とを組み合わせ、色純度も
演色性も良好な白色光を発生させる試みもなされてい
る。白色蛍光体は、ＬＥＤ光源からの主発光に励起され
て３原色（赤色、緑色、青色の３波長）の蛍光を発する
蛍光体成分を含むものである。３原色光の混合による白
色光は、演色性が高く、好ましい照明用光源となり得
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた従来の発光装置を
本発明者等が詳細に検討したところ、いずれの装置も、
ＬＥＤへの通電量を増大させると色調（色バランス）が
大きく変化するものであることが分った。

【０００６】例えば、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組合
せた白色発光可能な装置（所謂、白色ＬＥＤ）の場合、
白色光に含まれる黄色光（青色光が蛍光体で変換された
もの）と、青色光（蛍光体を透過したもの）との割合
が、青色ＬＥＤの発光出力に大きく依存して変化する。
しかも、その青色ＬＥＤの発光出力は、注入電流の増加
に伴い外部量子効率が低下するために、注入電流に比例
して増加せず、従来の定格電流（例えば、３５０μｍ×
３５０μｍのＬＥＤチップでは通常２０ｍＡとされる）
を越えた辺りから飽和傾向を示す。該定格電流近傍の通
電でもＬＥＤチップの温度上昇が起こっており、第一に
は蛍光体の温度上昇により変換効率が低下する、第二に
は青色発光波長が長波長シフトし、蛍光体の励起効率が
変化するといった現象が起こっている。該定格電流を越
えた電流を流すと、この傾向は一層強くなり、このよう
な白色ＬＥＤでは、青色ＬＥＤへの注入電流の増加に伴
って、色調が変化する。

【０００７】また、紫色〜近紫外ＬＥＤと白色蛍光体と
を組合せた白色ＬＥＤの場合、赤色光、緑色光、青色光
の蛍光だけによって白色を構成しており、ＬＥＤ光源の
光を直接には出力させないので、上記白色ＬＥＤで述べ
たようなＬＥＤ発光と蛍光体発光との色バランスが崩れ
ることによる色調の変化は抑えることができる。しか
し、従来の出力の低い近紫外ＬＥＤや、変換効率の低い
蛍光体を使っている場合には、通電によるＬＥＤ光源の
温度上昇の影響で、下記の現象が生じ、やはり色調が変
化する。第一に、ＬＥＤ光源−の温度上昇のために該光
源の発光波長が変化し、これによって各色の蛍光体毎の
変換効率も独自に変化し、結果、色調が変化する。第二
に、ＬＥＤ光源の温度上昇のために蛍光体の温度が変化
し、これによって各色の蛍光体の変換効率も独自に変化
し、結果、色調が変化する。

【０００８】上記のような色調変化の問題は、ＬＥＤと
蛍光体とを組み合わせた発光装置のみならず、ＬＤと蛍
光体とを組み合わせた発光装置においても同様に発生す
る問題である。従って、本発明の課題は、上記問題を改
善し、発光素子と蛍光体とを組合わせて可視光を出力す
るよう構成された発光装置を改善し、色調の変化が抑制
された該発光装置、およびそれを用いた照明装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の特徴を有
するものである。（１）ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発せられる
光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合され、該
蛍光を出力光とする発光装置であって、前記ＧａＮ系発
光素子はＧａＮ系発光ダイオードであり、該発光ダイオ
ードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり
０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変
化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度
図上において０．０５以内であることを特徴とする発光
装置。

【００１０】（２）上記ＧａＮ系発光ダイオードが、Ｉ
ｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光
部を有するものであって、該発光部の構造は、単一量子
井戸構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造
であり、発光ピーク波長は４３０ｎｍ以下であり、ベア
チップ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ
²）の駆動電流を注入した時に５％以上の外部量子効率
を有するものである、上記（１）記載の発光装置。

【００１１】（３）上記ＧａＮ系発光ダイオードが、主
発光と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセン
ス光を発するように構成されており、該フォトルミネッ
センス光が上記蛍光と共に出力されるものである、上記
（１）記載の発光装置。

【００１２】（４）ＧａＮ系発光素子と、該発光素子か
ら発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組
み合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、前
記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長３６０ｎｍ〜４
３０ｎｍ、全発光エネルギーの外部量子効率が１０％以
上のＧａＮ系半導体レーザであり、該半導体レーザのレ
ーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レー
ザ出力の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出
力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０
５以内であることを特徴とする発光装置。

【００１３】（５）上記ＧａＮ系発光素子の発光部が、
Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０＜Ａ≦１）井戸層とＧａＮ系障壁層
とからなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長
が３６０ｎｍ〜４３０ｎｍとなるようにＩｎ_AＧａ_1-AＮ
井戸層の組成比Ａが決定されている、上記（１）〜
（４）のいずれかに記載の発光装置。

【００１４】（６）上記ＧａＮ系発光素子の素子構造
が、表面に凹凸が加工された結晶基板上に、ＧａＮ系半
導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、
ＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはフ
ァセット成長しており、該ＧａＮ系結晶の上に発光部が
形成された構造を有するものである、上記（１）〜
（５）のいずれかに記載の発光装置。

【００１５】（７）上記可視光が、上記発光ダイオード
から発せられる光の波長から波長８００ｎｍまでの波長
範囲内に、発光強度のピークを１つ以上有する光であ
る、請求項（１）〜（６）のいずれかに記載の発光装
置。

【００１６】（８）上記可視光が、赤色光、緑色光、青
色光からなる３原色光を含んでなる白色光である、上記
（７）記載の発光装置。

【００１７】（９）上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍
光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であ
って、前記赤色蛍光体が、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝
Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ_a，Ｃ
ｄ_1-a）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ばれ
る１種類以上の蛍光体を含むものであり、前記緑色蛍光
体が、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（１≧a
＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｕ，Ａｌ、
（１≧a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)Ｓ：Ａｇ，Ｃ
ｌ、（１≧a＞0.６）〕、及び〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡ
ｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種類以上の蛍光
体を含むものであり、前記青色蛍光体が、〔（Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ〕と、
〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇:Ｅｕ，Ｍｎ〕とを含
むものである、上記（１）〜（８）のいずれかに記載の
発光装置。

【００１８】（１０）上記（１）〜（９）のいずれかに
記載の発光装置が複数集合した構成を有する照明装置。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明による発光装置は、発光素
子と蛍光体とを含んで構成されるが、以下の説明では、
ＧａＮ系ＬＥＤを発光素子の例とし、本発明を具体的に
説明する。図１の構成例では、ＧａＮ系ＬＥＤ１と、蛍
光体２とを組み合わせて当該発光装置を構成している。
蛍光体２は、ＧａＮ系ＬＥＤ１から発せられる光Ｌ１で
励起され、蛍光（可視光）Ｌ２を発するように形成され
ており、該蛍光Ｌ２が当該発光装置の出力光となってい
る。

【００２０】本発明でいうＧａＮ系とは、Ｉｎ_AＧａ_BＡ
ｌ_CＮ（０≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦１、０≦Ｃ≦１、Ａ＋Ｂ
＋Ｃ＝１）で示される化合物半導体であって、例えば、
ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な
化合物として挙げられる。

【００２１】ＧａＮ系ＬＥＤを用いて構成する場合の当
該発光装置の重要な特徴は、図２のｘ−ｙ色度図に示す
ように、該ＧａＮ系ＬＥＤに注入される駆動電流量を、
単位発光面積当たり０．１Ａ／ｃｍ²から７０Ａ／ｃｍ²
まで変化させたときに、出力光の色度の変化量（該ｘ−
ｙ色度図上における点ｍ１から点ｍ２までの変化量Δ
ｍ）が０．０５以内、より好ましくは０．０３以内とな
るように構成されていることである。この条件を満たす
ようにＧａＮ系ＬＥＤと蛍光体とを選択し組み合わせる
ことによって、駆動電流を増加させても、色調の変化が
抑制される。

【００２２】ここで、上記変化量Δｍは、点ｍ１の座標
を（ｘ１，ｙ１）、点ｍ２の座標を（ｘ２，ｙ２）とし
て、（ｘ２−ｘ１）²＋（ｙ２−ｙ１）²の平方根によっ
て与えられる。また、本発明で用いるｘ−ｙ色度図は、
ＣＩＥ１９３１ｘｙｚ表色系（ＪＩＳＺ８７０１）で規
定されるものである。

【００２３】従来の発光装置に上記と同じ駆動電流量の
変化を与えた場合、出力光の色度の変化量は、本発明が
規定する上記値０．０５を上回る。例えば、青色ＬＥＤ
と黄色蛍光体とによって構成された発光装置では０．０
５４であり、紫外ＬＥＤと白色蛍光体を用いた従来品で
も０．０５２となっており、色度の変化についての規定
は考慮されていない。

【００２４】上記色度の変化量を評価するためにＬＥＤ
に注入される駆動電流量は、ＬＥＤの形状寸法などに依
って異なることのないよう、〔単位発光面積当たりの電
流量Ａ／ｃｍ²）にて規定する。発光面積とは、発光層
の横方向の実効的な総面積を意味するが、近似的には、
ｐ電極がｐ層のほぼ前面を覆っている場合にはｐ層の面
積で代用しても良い。また、ｐ電極がｐ層の一部分しか
覆ってない場合には、実質的には電極直下しか発光しな
いために、電極面積を発光面積として代用してもよい。
例えば、図３に示すような、サファイア基板上に形成さ
れたＧａＮ系発光ダイオードの素子構造において、素子
外形を（３５０μｍ×３５０μｍ）〜（５ｍｍ×５ｍ
ｍ）程度の方形とした場合、発光面積は、ｎ型電極形成
のためのエッチングによって減少し７×１０^-4ｃｍ²〜
０．２４ｃｍ²程度となる。この中から、例えば、発光
面積７．２×１０^-4ｃｍ²のものを用いた場合、上記色
度の変化量を評価するために注入される駆動電流量の変
化は、０．０７２ｍＡから５０ｍＡまでとなる。

【００２５】上記色度の変化量を評価するための他の測
定条件としては、周囲の温度として〔１５〜３５℃〕、
実装状態として〔発光効率を高めるためにはフリップチ
ップ実装が好ましいが、標準的にはＧａＮ系発光層を上
側とする所謂ｐサイドアップのダイボンディング〕、封
止（第二のモールド樹脂）材料として〔エポキシ系樹
脂〕、蛍光体の塗布方法として〔適正な配合比率で混合
した蛍光体を含んだシリコン樹脂によって、実装した発
光素子をコーティング（モールド）する〕、などが挙げ
られる。

【００２６】上記色度の変化量条件を達成するために
は、用いられるＧａＮ系ＬＥＤ、蛍光体、およびそれら
の組み合わせ方が重要である。先ず、ＧａＮ系ＬＥＤに
ついては、発光ピーク波長、発光出力、外部量子効率に
ついて、それぞれ以下のような制限が必要である。

【００２７】該ＧａＮ系ＬＥＤの発光ピーク波長は、蛍
光体の励起効率、延いては蛍光体の励起光から蛍光への
変換効率と関係する重要な要素であり、４５０ｎｍ以下
が好ましく、３６０ｎｍ〜４３０ｎｍがより好ましい。
また、特に好ましい発光ピーク波長の例として、３８０
ｎｍが挙げられる。これは、ＩｎＧａＮを発光層に用い
たＬＥＤにおいて、発光効率が高く、かつ一般的に蛍光
体の励起効率が高い波長域からである。

【００２８】該ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力（ピーク波長
について測定される値）、外部量子効率は、通電に伴う
ＬＥＤの温度上昇を抑制する上で重要な要素である。通
電によって注入された電力は、最終的に光に変換される
か、熱に変換される。従って、外部量子効率が低い素子
ほど熱に変換される割合が大きく、素子の温度上昇が大
きくなり、蛍光体の変換効率を低下させたり、発光素子
および蛍光体の劣化の原因となる。

【００２９】該ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力は、ベアチッ
プ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ²）
の駆動電流を注入した時に、５％以上の外部量子効率を
有するものが好ましく、７％以上がより好ましい。色度
の変化量の評価で述べたと同様に、該発光出力は、周囲
温度１５℃から３５℃の測定環境で、所謂ｐサイドアッ
プで基板側を下に、銀ペーストあるいは共晶系の合金を
接合用金属材料として用い、例えばＴＯ１８缶として知
られている金属ステムに実装して被験サンプルとし、こ
れをそのまま積分球の中に挿入し、全発光強度を計測す
る標準的な計測システムにて全発光出力として測定す
る。

【００３０】この全発光出力から下記の計算式により外
部量子効率は計測できる。素子の形状、実装方式によっ
て発光出力は大きく異なるが、ここでは上記の評価方法
を標準のベアチップ状態での測定方法とする。外部量子
効率η_eは、η_e＝Ｐ_O／（Ｉ_F・Ｅ_g）によって算出され
る。Ｐ_O〔Ｗ〕は全発光出力、Ｉ_F〔Ａ〕は通電量であ
る。Ｅ_g〔ｅＶ〕は発光ピーク波長λ_p〔μｍ〕をエネル
ギー値に換算した値であり、Ｅ_g＝１．２３９８／λ _pで
算出される。

【００３１】本発明では、ＧａＮ系ＬＥＤの外部量子効
率として、５％以上、特に好ましい値として７％以上を
推奨する。例えば、図３に示す素子構造において、素子
外形を（３５０μｍ×３５０μｍ）〜（５ｍｍ×５ｍ
ｍ）程度の方形とした場合、発光面積は７×１０^-4ｃｍ
²〜０．２４ｃｍ²程度となる。この中から、例えば、発
光面積７．２×１０^-4ｃｍ²、発光ピーク波長３８０ｎ
ｍのＬＥＤ素子を用いた場合では、２０ｍＡ通電時に
３．３ｍＷ（外部量子効率５％）以上の発光出力である
ことが好ましく、４．６ｍＷ（外部量子効率７％）以上
がより好ましい。

【００３２】ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力、外部量子効率
を上記のように限定することによって、従来の発光装置
よりも、ＬＥＤの温度上昇が抑制される。そのために、
該ＬＥＤ自体の発光波長の変化も抑制されて、波長面で
の各蛍光体の変換効率の変化も少なくなる。また、それ
と同時に、加熱による蛍光体の温度上昇が軽減されて、
各蛍光体の変換効率の変化も少なくなる。これらが、色
調変化の抑制に寄与する。

【００３３】上記の発光ピーク波長、発光出力、外部量
子効率の条件を満たすＧａＮ系ＬＥＤとしては、図３に
示すように、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで
構成された発光部１３を有するものが挙げられる。発光
部は、例えば（ｎ型クラッド層／量子井戸構造／ｐ型ク
ラッド層）など、電流注入によって光を発生し得るよう
にｐ型層とｎ型層とを有して構成され、発光に係る層
（発光層）を持つ。発光層は、量子井戸構造における井
戸層である。好ましい発光部の構造としては、単一量子
井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、ま
たはダブルヘテロ（ＤＨ）構造が挙げられ、なかでもＭ
ＱＷ構造が、高出力、高効率の点で特に好ましい。

【００３４】図３（ａ）に示す素子構造例では、サファ
イア基板１０上に、ＧａＮ系低温成長バッファ層１０ｂ
を介して、順に、ｎ型コンタクト層１１、発光部１３
（ｎ型クラッド層１２／ＭＱＷ／ｐ型クラッド層１
４）、ｐ型コンタクト層１５が気相成長によって積層さ
れ、各コンタクト層に、ｎ−電極Ｐ１、ｐ−電極Ｐ２が
設けられている。また、図３（ｂ）では、さらに、サフ
ァイア基板の上面に、後述のＬＥＰＳ法を実施するため
の凹凸Ｓが加えられている。

【００３５】発光層の材料として用いるＩｎＧａＮ系と
は、上記したＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成
を必須に含む化合物半導体であって、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ
（０＜Ａ＜１）で示されるものの他、これにさらにＡｌ
組成が加えられたものであってもよい。Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ
の組成は、上記発光ピーク波長が得られるように決定す
ればよいが、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０．００５≦Ａ≦０．２
２、このときの発光波長３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ）は、
出力が大きく好ましい材料である。

【００３６】以上のことから、発光ピーク波長が３６０
ｎｍ〜４３０ｎｍとなるように決定されたＩｎ_AＧａ_1-A
Ｎを井戸層とするＭＱＷ構造のＬＥＤ（ＩｎＧａＮ紫外
ＬＥＤ）が、当該発光装置には最も好ましいＬＥＤであ
る。さらに、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮを井戸層とするＭＱＷ構造
のなかでも、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ井戸層とＧａＮ障壁層とか
らなるＭＱＷ構造は、高出力、高効率が得られる構造で
ある。

【００３７】当該発光装置の出力光には、色調の変化を
抑制するために、蛍光体からの蛍光を用いることが基本
である。しかし、ＧａＮ系ＬＥＤから主発光以外にフォ
トルミネッセンス光（ＰＬ光）をも発する構成とし、そ
のＰＬ光を上記蛍光と共に出力させて、蛍光のバランス
を補正してもよい。そのようなＰＬ光を発生させるに
は、ＧａＮ系ＬＥＤの素子構造内に、主発光を受けて目
的のＰＬ光を発するように組成を決定したＧａＮ系結晶
層を加えればよい。

【００３８】本発明による発光装置は、ＧａＮ系発光素
子としてＧａＮ系ＬＤを用いることも可能である。その
場合は、該ＬＤの条件として、発光ピーク波長３６０ｎ
ｍ〜４３０ｎｍ、外部量子効率１０％以上のものを用い
る。また、ＬＤを用いる場合には、該ＬＤのレーザ出力
を、発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力
の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の
色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内
となるものが本発明による発光装置である。

【００３９】ＧａＮ発光素子を形成するためのＧａＮ系
結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ
法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚膜を作製する場合は
ＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成する場合はＭＯＶ
ＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

【００４０】ＧａＮ系発光素子の素子構造のべースとし
て用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なも
のであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、
サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４
Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これら
の結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、
基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板で
も良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

【００４１】結晶基板上にＧａＮ系結晶層からなる素子
構造を成長させるに際しては、必要に応じてバッファ層
を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどによるＧａＮ系低温成長バッフ
ァ層が挙げられる。

【００４２】ＧａＮ系発光素子のさらなる高出力化・高
効率化のために、結晶基板上に成長するＧａＮ系結晶層
の転位密度を低減させる構造を適宜導入してよい。転位
密度低減のための構造としては、例えば次のものが挙げ
られる。（い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得る
ように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ₂などが用いら
れる）をストライプパターンなどとして形成した構造。（ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長を
し得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状
の凹凸加工を施した構造。これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せてよい。

【００４３】上記転位密度低減のための構造のなかで
も、上記（ろ）は、マスク層を用いない好ましい構造で
あって、ＧａＮ系ＬＥＤのさらなる高出力化・高効率化
に寄与し、より好ましい発光装置を得ることができる。
以下、上記（ろ）の転位密度低減化構造について説明す
る。

【００４４】結晶基板に対する凹凸の加工方法として
は、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、
目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等
を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法
などが例示される。

【００４５】凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部
（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲
線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔・不定の間隔で
配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙
げられる。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドッ
ト状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンと
みることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台
形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げ
られる。

【００４６】これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の
凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列された、ストラ
イプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、その作製工
程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり
好ましい。

【００４７】ストライプの長手方向を、これを埋め込ん
で成長するＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向と
した場合、図４（ａ）に示すように、凸部の上部から成
長を開始したＧａＮ系結晶１１ａは、横方向に高速成長
し、図４（ｂ）に示すように、凹部を空洞として残した
状態でＧａＮ系結晶層１１ｂとなりやすい。このような
〈１−１００〉方向の凹凸を用いた手法は、ＬＥＰＳ法
（Lateral Epitaxy onthe Patterned Substrate）とも
呼ばれる。ただし、ファセット面が形成されやすい成長
条件を選ぶ事により、下記の〈１１−２０〉方向の場合
と同様の効果を得ることができる。

【００４８】一方、ストライプの長手方向を、成長する
ＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、
横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めフ
ァセットが形成され易くなり、図５（ａ）に示すよう
に、先ず、断面三角形を呈した稜線状の結晶１１ａに成
長し、図５（ｂ）に示すように、凹部に空洞を残さずＧ
ａＮ系結晶層１１ｂとなりやすい。この結果、基板側か
らＣ軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向
に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を
形成できる点で特に好ましい。このような〈１１−２
０〉方向の凹凸を用いた手法は、上記ＬＥＰＳ法に対し
て、ファセットＬＥＰＳ法とも呼ぶことができる。

【００４９】凹凸の断面を図６に示すような矩形波状と
する場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅
Ｗ１は、１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜２０μｍが好
ましい。凸部の幅Ｗ２は、１μｍ〜２０μｍ、特に１μ
ｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸の振幅（凹溝の深さ）ｄ
は、０．２μｍ以上の深さがあれば良い。これらの寸法
やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸
においても同様である。

【００５０】上記のような転位密度低減化の構造に加え
て、発光層で発生した光をより多く外部に取り出すため
の種々の構造（電極構造、反射層構造、上下を逆に実装
し得るフリップチップ構造など）などを適宜設けること
が好ましい。

【００５１】当該発光装置の出力光となる蛍光は、可視
光であればよく、励起光源であるＧａＮ系ＬＥＤの発光
ピーク波長（４５０ｎｍ以下、３６０ｎｍ〜４３０ｎ
ｍ）から８００ｎｍまでの波長範囲内に、発光強度のピ
ークを１つ以上有する光であればよい。なかでも、照明
用途として白色光は有用であり、しかも、良好な演色性
であるためには、赤色光、緑色光、青色光からなる３原
色光を必須に含んで作り出される白色光（ＲＧＢ白色光
ともいう）であることが好ましい。

【００５２】蛍光体には、励起光源であるＧａＮ系ＬＥ
Ｄによって励起され、上記可視光を発する材料を用いれ
ばよい。白色光を発生させ得る蛍光体（赤色蛍光体、緑
色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光
体）としては、公知の材料を用いてよいが、色調変化の
少ない発光装置を構成するための好ましい白色蛍光体と
しては、赤色蛍光体として、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ
＝Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ _a，
Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ば
れる１種類以上の蛍光体を含み、緑色蛍光体として、
〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.
６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｕ，Ａｌ、（１≧
a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、
（１≧a＞0.６）〕、及び〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀
Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を
含み、青色蛍光体として、〔（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍ
ｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ〕および〔（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇:Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むものが挙げら
れる。

【００５３】上記した蛍光体の材料は、蛍光を発する物
質そのものであって、実際に蛍光体として当該発光素子
と組み合わせて発光装置を構成する場合には、塗布可能
な蛍光塗料や、組立て可能な蛍光体部品などとするのが
好ましい態様である。そのために、該蛍光体の材料に対
して、種々の基材との混ぜ合わせ、化合、基板への担
持、固化など、種々の加工を施してもよい。発光素子と
蛍光体とを組み合わせて１つの発光装置とするための結
合方法、結合構造自体は、公知技術を参照してもよい。

【００５４】当該発光装置の用途は限定されず、信号
機、表示装置、電飾などであってもよいが、色調の変化
が抑制された特徴が最も顕著となるのは、ＲＧＢ白色光
を出力光として当該発光装置を構成し、これを複数集合
させた照明装置である。

【００５５】

【実施例】ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤ、白色蛍光体を用い、
色調の変化が抑制された白色ＬＥＤを実際に製作した。
ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤの主な仕様は次のとおりである。発光ピーク波長：３８０ｎｍ。発光部の構造：Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ井戸層／ＧａＮ障壁
層を６ペア積層したＭＱＷ構造。転位密度低減化の手法：ファセットＬＥＰＳ法。ベアチップの外形：３５０μｍ×３５０μｍ方形。実装方式：フリップチップベアチップ状態での発光出力：通電電流２０ｍＡにおい
て７．８ｍＷ（樹脂モールドして１２．５ｍＷ）。

【００５６】（ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤの製作）Ｃ面サフ
ァイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパ
ターニングを行い、ＲＩＥ装置で１．５μｍの深さまで
断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状
パターンの凹凸となった基板を得た。該パターンの仕様
は、凸部幅３μｍ、周期６μｍ、ストライプの長手方向
は、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２
０〉方向とした。

【００５７】フォトレジストを除去後、通常の横型常圧
の有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ）に基板を装着
し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、
サーマルクリーニングを行った。温度を５００℃まで下
げ、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭ
Ｇ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍ
のＧａＮ低温成長バッファ層を成長させた。

【００５８】続いて温度を１０００℃に昇温し、原料
（ＴＭＧ、アンモニア）、ドーパント（シラン）を流
し、ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。この
ときのＧａＮ層の成長は、Tadatomoらによって開示され
た文献Jpn. J. Appl. Phys. 40・〔2001〕・L583. に示
すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でフ
ァセット面を含む尾根状の結晶として発生した後、凹部
内に空洞を形成することなく、全体を埋め込む成長であ
った。

【００５９】ファセット構造を経由して平坦なＧａＮ埋
め込み層を成長し、続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド
層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮ
クラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発
光波長３８０ｎｍの紫外ＬＥＤ用エピ基板とし、さら
に、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加
工、電極形成、３５０μｍ×３５０μｍのチップへと素
子分離を行い、ベアチップ状態のＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤ
を得た。

【００６０】Ｓｉ基板を使ってサブマウント用の台座上
に、サファイア基板側を上面に、所謂フリップチップ型
実装を行った。該紫外ＬＥＤの搭載されたＳｉサブマウ
ントをリードフレームのカップ内に固着した。この状態
のＬＥＤチップの全発光出力を積分球で測定した所、２
０ｍＡ通電時で７．８ｍＷを観測した。尚、このままエ
ポキシ樹脂でモールドしたＬＥＤランプで同様の測定を
行い、全発光出力１２．５ｍＷを観測した。この発光素
子の発光面積は７．１８×１０^-4ｃｍ²であった。この
発光効率は、単位発光面積当たりの電流量２７．９（Ａ
／ｃｍ²）における外部量子効率１２％に相当する。
尚、この発光素子は、少なくとも５０ｍＡの通電にも発
光出力が飽和することなく、通電量に比例した発光出力
が得られた。

【００６１】（白色蛍光体の調製）青色蛍光体の材料と
して、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎを主成分とする
蛍光体を用い、緑〜黄色光を出力する蛍光体の材料とし
て、Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅと、Ｔｂ(Ｙ、Ｇｄ)Ａｌ₅Ｏ₁₂：
（Ｃｅ、Ｔｂ）とを主成分とする蛍光体を用い、赤色光
を出力する蛍光体の材料として、Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌ
ｎ＝Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｓｃ）を主成分とする蛍光
体を用いた。これら各色の蛍光体を配合し、熱硬化型シ
リコン系樹脂に分散させて、白色蛍光体とした。

【００６２】（発光装置の組立て）フリップチップ実装
された紫外ＬＥＤを覆うように、上記の白色蛍光体を塗
布した。該蛍光体の塗布厚さは約１００μｍである。該
厚みは、白色蛍光体の含有量に依存してその最適値は変
化する。シリコン樹脂が十分固化してから、エポキシ樹
脂を使って砲弾型のモールドを行い、本発明の発光装置
（白色ＬＥＤランプ）に仕上げた。

【００６３】（評価）得られた発光装置に対して、ＬＥ
Ｄの駆動電流量を０．０７２ｍＡから５０ｍＡまで変化
（単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０
（Ａ／ｃｍ²）までの変化に相当）させたときの出力光
の色度は、図２に示すように、ｘ−ｙ色度図の色度座標
上で、点ｍ１（ｘ＝０．３、ｙ＝０．３４）から点ｍ２
（ｘ＝０．２８、ｙ＝０．３２）まで変化した。このと
きの２点間の変化量Δｍは、約０．０２８であり、本発
明による色調変化の規定を満たすものであった。

【００６４】

【発明の効果】本発明によって、電流量が変化しても色
調は変化し難い発光装置を提供でき、これによって、演
色性の良好な白色光を安定して発する好ましい照明装置
を提供できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光装置の構成を示す模式図である。
ハッチングは、領域を区別する目的で施している。他の
図も同様である。

【図２】本発明において、出力光の色度の変化量を規定
するｘ−ｙ色度図である。

【図３】本発明の発光装置の構成に用いられるＧａＮ系
ＬＥＤの素子構造の一例を示す図である。

【図４】ＧａＮ系ＬＥＤを構成するＧａＮ系結晶層の転
位密度を低減させるために、結晶基板に設けられる凹凸
構造、およびＧａＮ系結晶の成長の様子を示す模式図で
ある。同図の例では、凹凸は、紙面に垂直に延びる凹溝
・凸稜によるストライプ状のパターンであって、該紙面
に垂直な方向が、成長するＧａＮ系結晶の〈１−１０
０〉方向である。

【図５】図４と同様に、ＧａＮ系ＬＥＤを構成するＧａ
Ｎ系結晶層の転位密度を低減させるために、結晶基板に
設けられる凹凸構造、およびＧａＮ系結晶の成長の様子
を示す模式図である。同図の例では、凹溝・凸稜の長手
方向（紙面に垂直な方向）が、成長するＧａＮ系結晶の
〈１１−２０〉方向である。

【図６】結晶基板上面に設けられる凹凸の寸法を示すた
めの図である。

【符号の説明】

１ＧａＮ系発光ダイオード２蛍光体Ｌ１発光ダイオードからの光Ｌ２蛍光（＝出力光）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０９Ｋ 11/62 ＣＰＭＣ０９Ｋ 11/62 ＣＰＭＣＰＸＣＰＸＣＱＦＣＱＦ 11/64 11/64 11/73 11/73 11/84 11/84 (72)発明者岡川広明兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者大内洋一郎兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者常川高志兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者今田善之兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者吉野正彦神奈川県小田原市成田1060番地化成オプトニクス株式会社内 (72)発明者田口常正福岡県福岡市早良区百道浜１−７−３− 603 Ｆターム(参考） 4H001 XA07 XA08 XA12 XA13 XA15 XA16 XA17 XA20 XA21 XA30 XA31 XA38 XA39 XA48 XA49 XA56 XA57 XA64 XA71 YA13 YA17 YA25 YA29 YA47 YA63 YA79 5F041 AA12 CA04 CA05 CA34 CA40 DA44 DA45 DA57 DA58 DB01 EE25 FF01 FF11 FF12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発
せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合
され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、前記ＧａＮ系発光素子はＧａＮ系発光ダイオードであ
り、該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位
発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ
／ｃｍ²）まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．
０５以内であることを特徴とする発光装置。
【請求項２】上記ＧａＮ系発光ダイオードが、ＩｎＧ
ａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を
有するものであって、該発光部の構造は、単一量子井戸
構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造であ
り、発光ピーク波長は４３０ｎｍ以下であり、ベアチッ
プ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ²）
の駆動電流を注入した時に５％以上の外部量子効率を有
するものである、請求項１記載の発光装置。
【請求項３】上記ＧａＮ系発光ダイオードが、主発光
と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセンス光
を発するように構成されており、該フォトルミネッセン
ス光が上記蛍光と共に出力されるものである、請求項１
記載の発光装置。
【請求項４】ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から
発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み
合され、該蛍光を出力光とする発光装置であって、前記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長３６０ｎｍ〜
４３０ｎｍ、全発光エネルギーの外部量子効率が１０％
以上のＧａＮ系半導体レーザであり、該半導体レーザの
レーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レ
ーザ出力の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．
０５以内であることを特徴とする発光装置。
【請求項５】上記ＧａＮ系発光素子の発光部が、Ｉｎ
_AＧａ_1-AＮ（０＜Ａ≦１）井戸層とＧａＮ系障壁層とか
らなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長が３
６０ｎｍ〜４３０ｎｍとなるようにＩｎ_AＧａ_1-AＮ井戸
層の組成比Ａが決定されている、請求項１〜４のいずれ
かに記載の発光装置。
【請求項６】上記ＧａＮ系発光素子の素子構造が、表
面に凹凸が加工された結晶基板上に、ＧａＮ系半導体か
らなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ
系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはファセッ
ト成長しており、該ＧａＮ系結晶の上に発光部が形成さ
れた構造を有するものである、請求項１〜５のいずれか
に記載の発光装置。
【請求項７】上記可視光が、上記発光ダイオードから
発せられる光の波長から波長８００ｎｍまでの波長範囲
内に、発光強度のピークを１つ以上有する光である、請
求項１〜６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】上記可視光が、赤色光、緑色光、青色光
からなる３原色光を含んでなる白色光である、請求項７
記載の発光装置。
【請求項９】上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光
体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であっ
て、前記赤色蛍光体が、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝Ｙ，Ｌ
ａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）
Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ばれる１種
類以上の蛍光体を含むものであり、前記緑色蛍光体が、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａ
ｌ、（１≧a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａ
ｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)
Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（１≧a＞0.６）〕、及び〔（Ｂａ，
Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種
類以上の蛍光体を含むものであり、前記青色蛍光体が、〔（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）
₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ〕と、〔（Ｂａ，Ｓｒ）Ｍｇ
Ａｌ₁₀Ｏ₁₇:Ｅｕ，Ｍｎ〕とを含むものである、請求項
１〜８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれかに記載の発光
装置が複数集合した構成を有する照明装置。