JP2004128444A

JP2004128444A - 発光素子及びそれを用いた照明装置

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Publication number: JP2004128444A
Application number: JP2003061684A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yamada; 山田　雅人; Masanori Takahashi; 高橋　雅宣
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US20040026683A1; US7026651B2

Abstract

【課題】広い波長帯域を有する可視光連続スペクトルを簡単かつ安価に発生でき、しかも、従来型の光源の有する種々の欠点を一挙に解決可能な発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１０は、化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部８の活性層５が、バンドギャップエネルギーの相違する複数の発光単位層を含んで構成され、それら発光単位層からの発光の組合せに基づき、ピーク強度の５％以上の強度を有する有効波長域が５０ｎｍ以上確保された連続スペクトルを擬似的に合成した、擬似連続スペクトルを有した光を発光出力する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光素子とそれを用いた照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
照明用の光源としては、古くから白熱電球が使用されており、また、白熱電球が発明される以前には、蝋燭や松明などの自然燃焼光が照明用として用いられていた。白熱電球はフィラメントの抵抗発熱を利用するものであるから、寿命が短く、かつ、ジュール発熱損失が大きいため効率が悪い欠点がある。また、発光に伴い、可視光ばかりでなく赤外線も多量に放射されるので、光源の温度上昇が著しい問題がある。また、自然燃焼光は、電球に比べてさらに寿命が短く、燃焼熱のほか、すすや炭酸ガスなどの燃焼生成物の発生も著しいので、手入れが大変である。
【０００３】
他方、白熱電球以外の一般照明用光源として、蛍光ランプがある。蛍光ランプは、微量の水銀を封入したガラス管内の電極に高圧を印加して熱電子を発生させ、その熱電子で励起された水銀からの放射紫外線により、ガラス管内面に塗付した蛍光体をフォトルミネセンス発光させるものである。使用する蛍光体により種々のスペクトルの発光が可能であるが、一般に広く使用される蛍光体は、ハロリン酸カルシウム（３Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２・ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）であり、例えばＦとＣｌ，ＳｂとＭｎのそれぞれの量を調整することにより、種々の色温度の白色光を得ることができる。蛍光ランプは、白熱電球と比べれば消費電力が小さく、また、白色で明るいため、過去には白熱電球が占めていた用途の大半を置き換えるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、蛍光ランプにも、以下のような欠点がある。
・陰極放電を利用して紫外線を発生させるため、電極の蒸発消耗により比較的早期に寿命が尽きやすい。
・高電圧を必要とするため、白熱電球と比べれば小さいとはいえ、消費電力は、依然無視できない。
・ランプ廃棄に伴い、紫外線源としてガラス管内に封入された水銀が放出されるため、環境保護上の観点においても今後は敬遠されてゆくことが予想される。
・紫外線の漏洩があるため、紙類などの光やけ等を起しやすい。
・ハロリン酸カルシウム系のリン光は白色光ではあるが、そのスペクトルは、自然光（太陽光）スペクトルとの相違が大きく、演色性に難点がある。例えば、赤・緑・青（ＲＧＢ）の３波長領域での幅の狭い発光を組み合わせて、より演色性の優れた照明を実現することも行なわれているが、各色の蛍光体のスペクトルが輝線状の鋭いピークを有するため、演色性に関して自然光との間には埋めがたい隔たりがある。
【０００５】
なお、発光用光源としては、半導体を用いた発光ダイオードがある。しかし、発光ダイオードは、使用する半導体のバンドギャップの値により発光波長域に制約があるため、広い可視光帯域をカバーする発光スペクトルを得ることができず、その多くは単色光の発光に近い。従って、演色性が要求される一般照明用としての用途はほとんどなかった。なお、近年は、ＩｎＧａＡｌＮ系の化合物を用いた高輝度の青色系発光素子が実現した背景を受け、光の三原色に相当する赤、緑、青の単色光をそれぞれ出力する発光素子を組み合わせて、種々の混合色発光を可能とする発光素子が多数開発され、照明用に用いる提案もなされている。しかし、この種の素子は、光の三原色に対応した鋭い輝線ピークを有する極めて離散的な発光スペクトルしか発生できないので、中間波長域の演色性に劣る欠点がある。
【０００６】
本発明の課題は、広い波長域にまたがる擬似的な可視光連続スペクトルを簡単かつ安価に発生でき、しかも、従来型の光源の有する種々の欠点を一挙に解決可能な発光素子と、それを用いた照明装置とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明の発光素子は、ピーク波長の異なる複数の発光を合成することにより、合成後のスペクトルのピーク波長での発光強度を基準強度として、該基準強度の５％以上の発光強度を示す有効波長域が、５０ｎｍ以上の波長幅にわたって確保された、擬似連続スペクトルを有する光を発光出力することを特徴とする。また、本発明の照明装置は、該本発明の発光素子と、当該発光素子に発光駆動電力を供給する電力供給部とを有し、発光素子からの可視光を照明光として取り出すようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の発光素子は、量子光学的なキャリアの発光再結合を利用することにより生成される、ピーク波長の異なる複数の発光（以下、発光単位ともいう）を組み合わせることにより、広い波長幅（具体的には、上記有効波長域が５０ｎｍ以上）の連続スペクトルを擬似的に合成する。単色光発光に近い従来の半導体発光素子は、例えば半値幅が２０ｎｍ程度であり、ピーク波長での発光強度を基準強度としたときの、該基準強度の５％以上の発光強度を示す有効波長域は通常４０ｎｍ程度以下である。従って、該従来の半導体発光素子では、有効波長域の幅が５０ｎｍ以上となるような連続スペクトルを出力することは到底できない。なお、基準強度の５％未満となる波長域は、例えば照明光の場合、照明の明るさや演色性等にほとんど寄与しないと考えられる。しかし、本発明の発光素子によると、このような有効波長の発光スペクトルを、発光単位の種々の組合せにより容易に合成できる。また、光源として半導体発光素子を用いるので経時的な劣化が小さく長寿命であり、基本的に発光素子への通電回路さえあれば連続発光可能であるから回路構成も簡略化できる。さらに、高電圧を必要とせず、抵抗損失も小さいので消費電力が少なくて済む。また、蛍光ランプにおける水銀なども使用されないので、エコロジカルにクリーンな発光装置が実現できる。
【０００９】
なお、ＲＧＢ単色光の組合せでも、強度比の調整により、見かけ上は種々の色調の発光色を合成することが可能であるが、そのスペクトルは、あくまでＲＧＢ単色光の組合せによる輝線的なものに過ぎず、連続スペクトルの有する微妙な照明効果を実現することはできない。本発明においては、ＲＧＢ単色光よりも、ピーク波長間隔の接近した単色発光の組合せにより、基準強度の５％以上の発光強度を示す有効波長域を５０ｎｍ以上の幅にて確保できるので、擬似的な合成スペクトルであるとはいえ、連続スペクトルの有する微妙な照明効果に肉薄することが可能である。特に、基準強度の１０％以上（望ましくは１５％以上）の発光強度を示す有効波長域を、５０ｎｍ以上（望ましくは１００ｎｍ以上）の幅にて確保した連続スペクトルは、本発明の発光素子であれば極めて容易に実現できるが、ＲＧＢ単色光の組合せでは実現不可能である。
【００１０】
なお、本発明が適用可能な光の波長域は、例えば照明用の場合は可視光域（３６０ｎｍ以上７００ｎｍ以下）である。すなわち、前記の擬似連続スペクトルを有する光を可視光とすることができ、有効波長域が５０ｎｍ以上の波長幅にわたって可視光域内に確保された素子とすることができる。これにより、照明用等の所望の可視光連続スペクトルプロファイルを自在に実現できる。しかし、本発明は照明用に限定されるものではなく、従って、紫外あるいは赤外の領域を含む波長域に適用することも可能である。なお、以下においては、可視光域を主体とする波長域に適用した説明にて代表させる。
【００１１】
上記本発明の発光素子は、化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部の活性層が、バンドギャップエネルギーの相違する複数の発光単位層を含んで構成され、それら発光単位層からの発光の組合せに基づいて擬似連続スペクトルを有した光を発光出力するものとして構成することができる。化合物半導体にて構成したダブルへテロ構造の発光層部（ダブルへテロ発光層部）は、活性層両側のクラッド層がキャリアへの障壁として作用するため、その閉じ込め効果により高い効率での発光が可能である。上記の構成では、そのようなダブルへテロ発光層部の活性層部に、バンドギャップエネルギーの相違する複数の発光単位層を作りこみ、各発光単位層からの発光（以下、発光単位ともいう）の組合せに基づいて連続スペクトルを擬似的に合成する。これによれば、波長の異なる複数の発光単位層が作りこまれた活性層（以下、これを「複合活性層」ともいう）を用いるので、複数の発光波長が合成された擬似連続スペクトルを少ない素子数で実現できる。また、光源及びその周辺回路を大幅に簡略化でき、ひいては安価で高性能かつ低消費電力の照明装置が実現できる。なお、赤外線の発生を抑制したい場合は、発光波長が赤外域に属さない発光単位層を選んで組み合わせればよく、紫外線の発生を抑制した素子が必要な場合は発光波長が紫外域に属さない発光単位層を選んで組み合わせればよい。
【００１２】
白熱電球や蛍光ランプは、発光原理に由来した不可避的な事情から、前者においては赤外線（熱線）が、後者においては紫外線が、それぞれ相当量発生する。他方、本発明の発光素子においては、発光波長が赤外域に属さない発光単位を選んで組み合わせれば、波長７１０ｎｍ以上の赤外発光成分を含まない擬似連続スペクトルを簡単に得ることができる。他方、発光波長が紫外に属さない発光単位を選んで組み合わせれば、波長３５０ｎｍ以下の紫外発光成分を含まない擬似連続スペクトルを簡単に得ることができる。つまり、白熱電球や蛍光ランプにおいて避けがたかった赤外線や紫外線の発生を、簡単かつ極めて効果的に抑制することができる。なお、化合物半導体からなる各発光単位層からの発光スペクトルは、一般には半値幅の狭いピーク波形を有したものとなるが、バックグラウンド領域には微量ながら赤外発光成分や紫外発光成分が不可避的に含まれることがある。このような不可避的な赤外ないし紫外発光成分は、積極利用するものでない限り、「含まれない」概念に属するものとみなす。
【００１３】
本発明の発光素子においては、種々の波長の発光単位を種々の強度にて組み合わせることにより、熱放射型光源などに見られる波長域の広いアナログ的な連続スペクトルを、いわばデジタル的に合成する点に特徴がある。量子化レベルの低い（つまり、解像度の低い）デジタル画像の輪郭にジャギーが存在するごとく、本発明の発光素子が合成する擬似連続スペクトルにおいても、各発光単位の波長の間隔が大きすぎると、飛び飛びの波長ピークに対応した波打ち（リップル）がスペクトル波形に生じやすくなる。従って、スムーズな連続スペクトルを実現するには、発光単位の波長間隔をなるべく詰めることが望ましい。具体的には、複数の発光単位層は、そのバンドギャップエネルギーの大小配列において、隣接するバンドギャップエネルギー間の差分値が０．４２ｅＶ以下、より望ましくは０．２ｅＶ以下となっているのがよい。また、該差分値の下限値は小さければ小さいほど、よりスムーズなスペクトル波形が得られるが、差分値が過度に小さくなりすぎると、必要な発光単位層の数が多くなりすぎて、製造コストの高騰につながる。擬似連続スペクトルを形成する発光単位のピーク波長の間隔は、スペクトル半値幅よりも狭いと、隣接するスペクトル間の重なりが大きくなりすぎて無駄が多くなる。ダブルへテロ構造の発光素子においては、発光単位のスペクトル半値幅がおおむね２０ｎｍ前後であることを考慮すれば、上記隣接するバンドギャップエネルギー間の差分値を０．０５ｅＶ以上に設定することが望ましい。
【００１４】
モデルとする可視光の連続スペクトルは、例えば熱放射型光源の連続スペクトルとすることができる。熱放射型光源は、光源温度によって異なる発光スペクトルを示す。例えば白熱電球（３０００Ｋ前後）や燃焼光（１５００Ｋ前後）など、照明用に多く用いられている光源の場合、太陽光ほどには光源温度が高くないために、黄色あるいはオレンジ色に着色して見える。しかし、光源が着色しているにもかかわらず、演色性の低下は思ったほど甚だしくないことが知られている。これには、目の順応と、低温の熱放射型光源のスペクトルにも、比較的広い帯域の可視光波長成分がカバーされていることの２つが関係している。そして、実際の熱放射型光源との視覚的な差異がなるべく目立たない擬似連続スペクトルを得るためには、特に後者の観点において、なるべく広い波長範囲の可視光成分がスペクトルに含まれていることが望ましい。具体的には、ピーク波長での発光強度を基準強度として、該基準強度の５％以上の発光強度を示す有効波長域が、少なくとも５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にわたって確保されていることが望ましい。有効波長域がこれよりも狭くなると、照明の演色性が著しく損なわれる場合がある。該有効波長域は、望ましくは、少なくとも４７０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下、さらに望ましくは４００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の範囲にわたって確保されているのがよい。また、擬似連続スペクトルの上記の有効波長域は、発光波長の異なる４以上の発光単位層（後述のように、２素子以上を組み合わせる場合は、その合計の発光単位層の数とする）により合成することが、スムーズなスペクトル波形を実現し、ひいては演色性を高める観点において望ましい。
【００１５】
この場合、本発明の発光素子により実現すべき擬似連続スペクトルは、スペクトル波形に生ずる前述のリップルを可及的に小さくすることが、リアルな光源色の再現を図る上で有効である。具体的には、図３５に示すように、スペクトル上において、リップル谷部を作る隣接する２つの小ピークの双方に接する第一接線Ａを引き、上記接線Ａと平行にリップル谷部に対して第二接線Ｂを引いたとき、両接線の強度軸方向の距離をリップル深さｄと定義する。また、リップル谷の底位置を通って強度軸と平行な直線Ｖを引いたとき、その直線Ｖと第一接線Ａとの交点Ｑを、着目しているリップルにおける基準強度Ｈと定義する。スムーズな擬似連続スペクトルの実現には、ｄ／Ｈにて定義されるリップル率が、上記有効波長域の全体に渡って十分に小さくなっていること、例えば０．１以下となっていることが望ましい。そして、本明細書においては、リップル率Ｒが０．１以下であれば、擬似連続スペクトルの前記有効波長域において、リップル谷部を作る隣接する２つの小ピークは無視して考えるものとする。
【００１６】
次に、本発明の発光素子により、例えば自然光あるいは熱放射型光源を模した擬似連続スペクトルを合成しようとする場合、有効波長域において単一のピークを有するブロードな連続スペクトルとなるか、あるいは該有効波長域において波長に対し強度が単調に増加又は減少するものとなっていることが望ましい。
【００１７】
すなわち、図１７は、自然光（太陽光）のスペクトルを示すが、光源温度が６０００Ｋと高いため波長４００ｎｍ付近にピークが生じ、上記の有効波長域において波長の増加に対し強度は単調に減少する。しかし、図１８の白熱電球のスペクトルでは、光源温度が３０００Ｋと低いため、ピークは波長７００ｎｍ付近の長波長側に生ずる。その結果、上記の有効波長域において波長の増加に対し強度は単調に増加する。当然、光源温度が３０００Ｋと６０００Ｋの間にある場合は、上記有効波長域内にピークが生ずるので、図３４に示すように、スペクトルは、上記有効波長域内に単一のピークを有するブロードな強度分布を有したものとなる。本発明の発光素子において、このようなスペクトル波形をリップル率０．１以下の擬似連続スペクトルとして合成することは、発光層部をなす複数の発光単位層を、そのバンドギャップエネルギーの大小配列において、隣接するバンドギャップエネルギー間の差分値を例えば０．２ｅＶ以下とすることにより、簡単に実現することができる。そして、高演色性と称される従来の蛍光ランプのようなＲＧＢの組合せでは決して実現できない、自然光や熱放射型光源の発光スペクトルをリアルに再現することができる。
【００１８】
次に、ダブルへテロ発光層部は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体にて構成することができ、活性層に含まれる発光単位層の発光波長は、該発光単位層を構成する混晶化合物半導体の混晶比により調整することができる。
【００１９】
なお、本発明の適用対象となる波長域は、当然、熱放射型光源に限られるものではない。例えば、熱放射型光源は、青色（あるいは青緑）系から赤色系までの広い波長帯域をカバーするが、白熱電球の発光スペクトルから青色系の波長域の可視光をカットした場合、多少の演色性の低下はあるものの、残った波長域のみで、白熱電球特有の黄色ないしオレンジ色の優位な照明色を擬似的に実現できることに変わりはない。この場合、具体的には、ダブルへテロ発光層部を、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて構成できる。この素子は、混晶比ｘ，ｙの設定により、５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の範囲で、高強度を維持しつつ発光波長を容易に調整することができる。また、青色系の波長域が欠落することで、通常の白熱電球では得られない風変わりな照明感も実現できる場合がある。
【００２０】
逆に、太陽光スペクトルなど、青色系の波長域の強度が高いスペクトルの場合、赤色系の波長域の光をカットすると、青色系の色調が勝った特殊な演色効果が得られる。いずれも、５０ｎｍ以上もの有効波長域を有する擬似連続スペクトルであるから、単色光のような単調で不自然な照明色とはならず、演色性も優れたものとなる。具体的には、ダブルへテロ発光層部を、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１：以下、ＩｎＧａＡｌＮとも記載する）にて構成された素子とすることができる。この素子は、混晶比ａ，ｂの設定により、３６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲で、高強度を維持しつつ発光波長を容易に調整することができる。
【００２１】
ＡｌＧａＩｎＰ及びＩｎＧａＡｌＮは、発光駆動電圧が、前者は２Ｖ前後、後者が３Ｖ前後といずれも低く、さらに５０〜８００ｍＡ程度の通電にて照明用に十分な発光強度を得ることができ、駆動回路を簡略化できる上消費電力も小さい利点がある。
【００２２】
一方、逆に有効波長域をさらに広く確保した発光素子を実現しようとする場合、単一の化合物半導体系では、全ての波長域を十分な発光強度にてカバーできないこともある。そこで、波長域に応じて異なる種別の化合物半導体系を使い分けることができる。具体的には、それぞれ系の異なる化合物半導体にてダブルへテロ発光層部を構成した複数の素子を組合せ、各素子からの発光スペクトルを合成して出力する構成を採用することができる。波長域に応じ、発光強度確保の上で有利となる化合物半導体系を選んで個別の素子を構成し、これを組み合わせることにより、どの波長域においても、得るべき擬似連続スペクトルの波形に応じて必要十分な発光強度を容易に確保できる。この場合、それら複数の素子の少なくとも１つを、複数の発光単位層が作りこまれた複合活性層を有するものとして構成することで、素子数削減の効果を達成することができる。
【００２３】
複数の素子に分割して構成する具体例として、各々化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部を有してなり、該ダブルへテロ発光層部の活性層に含まれる発光単位層の発光波長が、５２０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲で設定される第一の素子と、同じく３６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲で設定される第二の素子とが組み合わさる構成を例示できる。そして、それら第一の素子と第二の素子との少なくとも一方を、活性層中に発光単位層を複数含んだものとして構成する。可視光帯域は３６０ｎｍから７００ｎｍまでの比較的広範囲に及ぶが、その全帯域をカバーするには、バンドギャップ幅を１．７５ｅＶ〜３．２ｅＶの広い範囲にて変化させることが可能でなければならない。他方、現在、発光素子用として使用されている化合物半導体は、長波長側（５２０ｎｍ以上７００ｎｍ以下）あるいは短波長側（３６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下）のどちらかでのみ高発光強度が得られる、というタイプのものが多い。従って、このような２種の素子を組み合わせれば、可視光帯域の略全域を効果的にカバーでき、また、使用する素子の種類も２種類のみであるから、素子数削減効果も大きい。さらに、２種の素子の波長域は、４９０〜５６０ｎｍの緑色系帯域を分かち合う形で定められているが、熱放射型光源のスペクトルに帯域幅として最も広く含まれる緑色系帯域を２種の素子で分担することで、よりスムーズで帯域の欠落が少ない、高品質の擬似連続スペクトル波形を実現することができる。第一の素子は、具体的にはダブルへテロ発光層部が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて構成された素子とすることができる。また、第二の素子は、ダブルへテロ発光層部がＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）にて構成された素子とすることができる。
【００２４】
なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、より長波長域をカバーするＧａＡｌＡｓ（可能な波長域６４０ｎｍ以上７００ｎｍ）にて、ダブルへテロ発光層部を構成することも可能である。また、短波長域をカバーする素子は、例えば、Ｍｇ_ａＺｎ_１−ａＯ（ただし、０≦ａ≦１）型酸化物や、あるいはＳｉＣあるいはＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によりダブルへテロ発光層部を構成することも可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子を用いた照明用光源の一例を示すものである。照明用光源５０は、本発明の概念による発光素子１０，２０を有する。該発光素子１０，２０は、第一の素子１０と第二の素子２０であり、いずれも、化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部（以下、単に発光層部という）８，１８の活性層（図２、図３参照）が、バンドギャップエネルギーの相違する複数の発光単位層を含んで構成される。第一の素子１０は、発光単位層の発光波長が５２０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲で設定され、第二の素子２０は、発光単位層の発光波長が３６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲で設定される。そして、照明用光源５０は、これらの２種の素子１０，２０からの発光を互いに混合して、熱放射型光源の連続スペクトルを擬似的に合成し、擬似連続スペクトルを有した可視光として発光出力する。
【００２６】
図２は第一の素子１０の積層構造を例示するものである。第一の素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板（以下、単に基板という）１の第一主表面ＭＰ１上に発光層部８が形成されている。この基板１の第一主表面ＭＰ１と接するようにｎ型ＧａＡｓバッファ層２が形成され、該バッファ層２上に発光層部８が形成される。そして、その発光層部８の上に電流拡散層７が形成され、その電流拡散層７の上に、発光層部８に発光駆動電圧を印加するための第一電極９が形成されている。また、基板１の第二主表面ＭＰ２側には、同じく第二電極３が全面に形成されている。第一電極９は、第一の素子１０の第一主表面ＰＦの略中央に形成され、該第一電極９の周囲の領域が発光層部８からの光取出領域とされている。
【００２７】
発光層部８は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５（例えばノンドープのもの：ただし、必要に応じてドーパントの添加が可能である）を、ｐ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。図２では、第一電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、第二電極３側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は第一電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０^１３〜１０^１６／ｃｍ^３程度を上限とする）をも排除するものではない。また、電流拡散層７はｐ型ＧａＰ層として形成されている。
【００２８】
また、図３は、第二の素子２０の積層構造を例示するものである。第二の素子２０は、ｎ型ＳｉＣ単結晶基板（以下、単に基板という）１１の第一主表面ＭＰ１上に発光層部１８が形成されている。この基板１１の第一主表面ＭＰ１と接するようにｎ型ＧａＮバッファ層１２が形成され、該バッファ層１２上に発光層部１８が形成される。そして、その発光層部１８の上に電流拡散層１７が形成され、その電流拡散層１７の上に、発光層部１８に発光駆動電圧を印加するための第一電極１９が形成されている。また、基板１１の第二主表面ＭＰ２側には、同じく第二電極１３が分散形態で形成されている。第一電極１９は、第二の素子２０の第一主表面ＰＦの略中央に形成され、該第一電極１９の周囲の領域が発光層部１８からの光取出領域とされている。
【００２９】
発光層部１８は、ノンドープＩｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ混晶からなる活性層１５を、ｐ型Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎからなるｐ型クラッド層１６とｎ型（Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎからなるｎ型クラッド層１４とにより挟んだ構造を有する。図３では、第一電極１９側にｐ型ＩｎＧａＡｌＮクラッド層１６が配置されており、第二電極１３側にｎ型クラッド層１４が配置されている。従って、通電極性は第一電極１９側が正である。また、電流拡散層１７は、ｐ型ＧａＮにより形成されている。
【００３０】
いずれの素子も、各層のエピタキシャル成長は、公知の有機金属気相エピタキシャル成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法により行なうことができる。また、光取出強度を高めるため、発光層部８，１８と基板１，１１との間に反射層を設けてもよい。
【００３１】
図４は、第一の素子１０の活性層５の構造の一例をバンド図の形にて模式的に示すものである。また、図７は、第二の素子２０の活性層１５の構造の一例をバンド図の形にて模式的に示すものである。該活性層５，１５において発光単位層は、各々２つの障壁層Ｂ，Ｂに挟まれた井戸層Ｗ１‥Ｗｎよりなる。障壁層Ｂ，Ｂに挟まれた井戸層Ｗ１‥Ｗｎを発光単位層とすることで、井戸層内へのキャリア閉じ込め効果により、個々の発光単位層の発光効率を高めることができる。各井戸層Ｗ１‥Ｗｎの発光波長は、それぞれのバンドギャップエネルギーＥｇ１‥Ｅｇｎ（図４），Ｅｇ’１‥Ｅｇ’ｎ（図７）（≡各井戸層でのＥｃ−Ｅｖの値：Ｅｃは伝導体底エネルギーレベル、Ｅｖは価電子帯頂エネルギーレベル）に応じて定まる。本実施形態では、各井戸層Ｗ１‥Ｗｎが全て異なるバンドギャップエネルギーを有し、それぞれ個別の発光単位層を形成している。つまり、１つの発光単位層に含まれる井戸層の数を１つとしている。ただし、後述のように、同一バンドギャップエネルギーの複数の井戸層の組を発光単位層とすることもできる。表１は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰの各混晶比ｘ，ｙと、得られるバンドギャップエネルギー及び発光波長（及び目安となる発光色）の関係を例示したものである。ｘ≧０．６では間接発光となり、発光強度が低下するので、ｘ＜０．６にて設定することが望ましい。また、表２は、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮの混晶比ａと、得られるバンドギャップエネルギー及び発光波長（及び目安となる発光色）の関係を例示したものである。なお、図４において、井戸層における伝導体底エネルギーＥｃは、井戸層のバンドギャップエネルギーが大きいほど高く設定され、他方、価電子帯頂エネルギーＥｖは井戸層のバンドギャップエネルギーが大きいほど低く設定されるように描いているが、バンド構造はこれに限定されるものではない。例えば、価電子帯頂エネルギーＥｖの大小は、井戸層の組成により、バンドギャップエネルギーの大小に一義的に対応しない場合がある。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
第一の素子１０及び第二の素子２０のいずれにおいても、上記複数の発光単位層、すなわち井戸層Ｗ１‥Ｗｎは、バンドギャップエネルギーの大小配列において、隣接するバンドギャップエネルギー間の差分値ΔＥが、０．４２ｅＶ以下、望ましくは０．２ｅＶ以下とされる。バンドギャップエネルギー間の差分値ΔＥが過度に大きくなると、単位スペクトルのピーク位置間の距離が大きくなりすぎ、合成された波形に大きな波打ちが生じて、滑らかなスペクトルが得られなくなる。なお、差分値ΔＥは、バンドギャップエネルギーが隣接する全ての発光単位層の組に対して等しく設定することもできるし、必要とする発光スペクトル形状に応じて、強度を意識的に高めたい波長域においては間隔を密とし、逆に強度を抑制したい波長域においては間隔を粗とするなど、少なくとも一部の発光単位層の組について不等間隔に設定することもできる。
【００３５】
各発光単位層からの発光強度は、井戸層Ｗ１‥Ｗｎの層厚により調整することができ、例えば後述の量子井戸構造をとらない場合は、ある層厚までは、層厚の増加に伴い発光強度を高めることができる。発光単位層中の井戸層の数が１である場合は、該層厚調整により発光強度の調整が可能である。他方、層厚を増加させる代わりに、図１３に示すように、１つの発光単位層中の井戸層の数を増やすこと、つまり同じバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１，Ｅｇ２，‥，Ｅｇｎ）の井戸層を複数層形成することによって発光強度を増加させることができる。つまり、発光単位層からの発光強度は、井戸層の層数によっても調整可能である。この構造においては、個々の井戸層の厚さは増加しないので、キャリア閉じ込め効果の観点においてより有利であり、発光効率を高めることができる。すなわち、井戸層の層厚及び／又は層数にて発光単位層の発光強度が調整される。得るべき擬似連続スペクトルにおいて、発光強度の高い波長域ほど、該波長域に寄与する井戸層の層厚及び／又は層数を大きく設定すればよく、想定した擬似連続スペクトルを得るための発光単位層の設計を容易に行なうことができる。なお、図４に示すように、個々の井戸層は、その井戸層での発光に寄与しないキャリアが他の井戸層に向けて移動することが妨げられないように、障壁層の高さを略一定にそろえておくことが望ましい。その結果、発光波長の短い発光単位層（つまり、バンドギャップエネルギーが広い井戸層を有する発光単位層）ほど井戸深さを小さく設定しておくことが望ましい。
【００３６】
各発光単位層中の井戸層の数は、図１４に示すように、一律に同じ数ずつ設けることもできるし、図１５に示すように、発光単位層の波長域に応じて、井戸層の数を変化させることもできる。すなわち、発光強度の高い波長域ほど、該波長域に寄与する井戸層の層数を大きく設定すれば、擬似連続スペクトルの設計も一層容易となる。
【００３７】
図２及び図３に示すように、第一の素子１０及び第二の素子２０のダブルへテロ発光層部８，１８は、積層方向片側の主表面、すなわち第一の素子１０及び第二の素子２０の各第一主表面ＰＦが光取出面とされており、図４及び図７に示すように、発光単位層（井戸層Ｗ１‥Ｗｎ）は、発光波長の長いものほど、活性層の層厚方向において光取出面より遠い位置に配置されている。発光波長の短い光は、その発光波長のエネルギーよりも小さいバンドギャップを有する半導体に吸収されやすい傾向がある。しかし、上記のように、発光波長の長い発光単位層を光取出面から離して配置すれば、それよりも光取出面側に積層される発光単位層は、いずれも、下層側からの光のエネルギーよりもバンドギャップが広く、吸収が起こりにくくなる。従って、素子の光取出し効率を高めることができる。
【００３８】
他方、後述の演色性調整等の目的で、特定波長域の強度を強調あるいは抑制するために、図１６に示すように、上記のバンドギャップエネルギー順の発光単位層の配列を、一部で作為的に入れ替えることも可能である。バンドギャップエネルギーの順位入れ替えにより、光取出面に近づいた発光単位層（図１６では、バンドギャップエネルギーがＥｇｋ＋１の層）の光取出強度を相対的に強めたり、あるいはそれよりも下層側となる層（図１６では、バンドギャップエネルギーがＥｇｋの層）の発光を、該発光単位層により吸収して発光を抑制したりすることができる。
【００３９】
また、キャリア閉じ込め効果により発光効率を高めるには、量子井戸構造を有するものとして発光単位層を構成することが望ましい。この場合、量子効果発現のため、井戸層の厚さを電子の平均自由行程以下（通常、１０ｎｍ以下、例えば２〜５ｎｍ）に設定する必要がある。量子井戸構造の採用により、波長の安定化や発光効率の向上を図ることができる。また、障壁層厚さも１０ｎｍ以下（ただし、トンネル効果によるキャリア通過を阻むため、５ｎｍ以上が望ましい）に小さくすれば、２〜３％程度までであれば格子定数のずれが許容され、発光波長領域の拡大も容易である。また、バルクでは間接遷移領域となる短波長域でも、量子井戸によるキャリア局在化により直接遷移的な振る舞いに近づけることができ、短波長側への発光波長拡大を図る上で有利となる。
【００４０】
量子井戸構造においては、井戸層の厚さに上記のごとき制約があるため、層厚による発光強度の調整は期待できない。従って、量子井戸構造をなす発光単位層は、井戸層の層数にて発光強度が調整されることとなる。つまり、該発光単位層は、多重量子井戸構造を有したものとなる。多重量子井戸構造においては、サブバンド形成によりキャリア閉じ込め効果がさらに高められ、発光強度を向上させる目的においてより有利となる。なお、量子井戸構造において井戸層は、発光波長の短い発光単位層ほど、キャリアの平均自由行程が小さくなるため、層厚を小さく設定することが望ましい。
【００４１】
なお、発光単位層の変形例としては、図２０に示すように、発光波長の互いに異なる複数の発光単位層Ｗ_Ａを繰り返し単位として、該繰り返し単位Ｗ_Ａを活性層５の層厚方向において複数形成する構成を採用することもできる。この構成は、各波長成分の強度分布をなるべく均一化する必要が場合に有効である。例えば、ダブルへテロ発光層部８，１８の、積層方向片側の主表面が光取出面とされている場合は、繰り返し単位Ｗ_Ａ内にて発光単位層を、発光波長の長いものほど、活性層５，１５の層厚方向において光取出面より遠い位置に配置すれば、光吸収の影響を軽減できるので有利である。
【００４２】
さらに、図２１に示すように、１つの井戸層Ｗｋを、複数の混晶比の化合物半導体の積層体として形成することにより、井戸底形状を階段状としたバンド構造を採用することもできる。この構成は、障壁層の数が少なくて済むので、製造工程が簡略化できる利点がある。
【００４３】
本実施形態では、得るべき擬似連続スペクトルが、白熱電球の連続スペクトルを模した擬似電球光スペクトルを有するように、両素子１０及び２０の活性層５，１５を設計している。図１８は、タングステンフィラメントを用いた白熱電球を、色温度約３０００Ｋにて発光させたときのスペクトル波形である。強度ピークは破線にて示すように、近赤外域の８００ｎｍ付近に存在し、可視光帯域での強度分布は、発光波長とともに増加する傾向となる。相当強度の赤外線を含むため、光源の温度上昇が生じやすいことが直ちに理解できる。
【００４４】
本発明においては、図１８の連続スペクトルを、複数の発光単位層からの種々の波長の単色光（発光単位）を組み合わせて、いわばデジタル的に合成し、擬似連続スペクトルとする。第一の素子１０において、波長７００ｎｍ以上にて発光する井戸層を設けなければ、図１８に実線で示すように、赤外発光成分を大幅に削減できる。また、白熱電球の連続スペクトルにおいて短波長領域には、僅かではあるが有害な紫外線も含まれている。しかし、後述のように第二の素子２０において、波長３６０ｎｍ以下にて発光する井戸層を設けなければ、該紫外発光成分も削減できる。
【００４５】
本実施形態では、各素子１０，２０の活性層５，１５を、以下のように構成している。すなわち、図５及び図８に示すように、複数の発光単位層は、発光波長の長い発光単位層（井戸層）ほど発光強度が高くなるように調整される。具体的には、発光波長の長い発光単位層ほど、井戸層の厚さもしくは数を大きくする。図１８に示すスペクトル波形に近づけるには、例えば、６５０ｎｍでの強度Ｉ６５０と５６０ｎｍでの強度Ｉ５６０との比Ｉ６５０／Ｉ５６０が１．４前後となるように設定する。例えば、第一の素子１０において、バンドギャップエネルギーが略等間隔の１１の量子井戸層を形成する場合の、各層のバンドギャップエネルギー、層厚及び層数の設定例を表３に示す（混晶比は、表１を参照して定めるとよい）。また、第二の素子２０において、バンドギャップエネルギーが略等間隔の７つの量子井戸層を形成する場合の、各層のバンドギャップエネルギー、層厚及び層数の設定例を表４に示す。
【００４６】
【表３】

【００４７】
【表４】

【００４８】
図５及び図８に示すように、個々の発光単位層の発光スペクトル（以下、単位スペクトルという）は、それぞれ固有のピーク波長を有した分布の鋭いものになるが、これらが合成されて、破線で示すように、各単位スペクトルのピーク位置をつないだ形状の擬似連続スペクトルが、各素子１０，２０から出力される。なお、個々の発光単位層中の井戸層の数が多ければ多いほど、モデルとする熱放射型光源のスペクトル波形（可視光部分）を忠実に再現できるが、層数を削減したい場合の微調整手段として、層厚調整を補助的に導入することも可能である。また、発光単位層中の全ての井戸層を量子井戸とするのではなく、一部の井戸層を層厚の大きい非量子井戸とすることもできる。
【００４９】
いずれの素子１０，２０も、その発光スペクトルは波長が長くなるにつれ、発光強度は増加する。しかし、発光波長に対する可視光の相対視感度は、図６に示すように、明所では５５５ｎｍ付近で最大となる。図５および図８には、視感度補正係数Ｖの波長依存性を示す曲線を一点鎖線にて示している。視感度補正強度は、絶対強度Ｉと視感度補正係数Ｖとの積Ｖ・Ｉにて表すことができる。図５に示すように、第一の素子１０は絶対強度Ｉと視感度補正係数Ｖとの波長依存性が逆傾向なので、視感度補正強度Ｖ・Ｉは、中間波長域、具体的には黄色域からオレンジ色域にピークを生ずる。他方、図８に示すように、第二の素子２０は絶対強度Ｉと視感度補正係数Ｖとの波長依存性が同傾向なので、視感度補正強度Ｖ・Ｉは波長が長くなるとともに単調増加する。
【００５０】
そして、図１の照明用光源５０からは、長波長域側の第一の素子１０のスペクトルと短波長域側の第二の素子２０のスペクトルとが合成されて出力される。その結果、第一の素子１０のスペクトル波形ＳＡの短波長側に、第二の素子２０のスペクトル波形ＳＢが接続されて、図９のような擬似電球光スペクトルが最終的に得られる。すなわち、擬似電球光スペクトルの絶対強度Ｉは、図１８の白熱電球のスペクトル、すなわち視感度補正後の発光強度分布は、黄色域からオレンジ色域、すなわち５７０ｎｍ以上６４０ｎｍ以下に強度ピークを有し、白熱電球によく似た黄色味あるいはオレンジ色味を帯びた、暖かで柔らかい照明色が得られる。
【００５１】
なお、最終的な発光スペクトルの形状は、各波長の発光単位層の発光強度を、層数や層厚により調整することにより、所望のものを任意に形成できる。特に、自然光の演色性に近づけた照明光を得たい場合は、太陽光の連続スペクトルを模した擬似太陽光スペクトルを、擬似連続スペクトルとして合成すればよい。図１７は、可視領域の太陽光スペクトルを示すものであるが、色温度が６０００Ｋ前後と高いため、白熱電球と比べて、強度ピークは４００ｎｍ付近の短波長域に生ずる。また、可視光波長帯の略全域に渡って、波長が長くなるほど絶対強度Ｉは減少する傾向を示す。従って、図５及び図８とは全く逆に、複数の発光単位層は、発光波長の短い層ほど発光強度が高くなるように調整されればよい。表５に第一の素子１０の、また、表６に第二の素子２０の、各井戸層の層数の設定例を示す。
【００５２】
【表５】

【００５３】
【表６】

【００５４】
照明の分野においては、自然光の演色性を如何にすれば忠実にかつ安価に再現できるか、ということが長年にわたり１つ究極の課題であり続けてきた。例えば普及が著しい蛍光ランプは、白色光ではあるが、そのスペクトルは、自然光（太陽光）スペクトルとの相違が大きく、演色性に難点がある。図１９は、高演色性蛍光ランプのスペクトルの一例であるが、バックグラウンド部分のスペクトル波形は図１７の太陽光スペクトルと大きく隔たっていることがわかる。そこで、赤・緑・青（ＲＧＢ）の３波長領域での幅の狭い発光材料を組み合わせざるを得ないのであるが、各色の蛍光体のスペクトルが輝線状の鋭いピークとなって突出する。図１７との波形の相違から推察される通り、自然光との間には埋めがたい隔たりが生ずることは自明である。しかし、本発明を採用すれば、例えば表５あるいは表６に例示したような組合せにて、発光単位層のからの種々の波長の光を組み合わせることにより、図１７に示す太陽光スペクトルの可視光部分を、擬似太陽光スペクトルとして極めて忠実に再現できる。例えば、ＪＩＳ：Ｚ８７２６（１９９０）に規定された平均演色評価指数において８５以上は容易に実現でき、例えば、蛍光ランプの分野では、９０〜９５前後が限界といわれている平均演色評価指数を、これと同程度あるいはさらに高い値（例えば９５〜１００）に高めることも、比較的容易である。なお、図１９に示すような蛍光ランプの波形を、本発明の発光素子により合成することも可能である。
【００５５】
以上、熱放射型光源のスペクトル波形をなるべく忠実に再現したい場合の実施の形態について説明したが、既に説明した通り、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、白熱電球の発光スペクトルから青色系の波長域の可視光をカットしても、残った波長域のみで、白熱電球特有の黄色ないしオレンジ色の優位な照明色を擬似的に実現できることに変わりはない。この場合、図３３に示すように、第一の素子１０のみで光源モジュール５０を構成することができる。これにより実現される擬似連続スペクトルは、例えば図５に示す通りであり、有効波長域は約９０ｎｍである。また、赤色系の波長域がカットされた照明光を得たい場合は、第二の素子２０のみで光源モジュールを構成すればよい。
【００５６】
また、特定の色調に対する演色性を高めるために、一部の波長域の強度分布を意図的に変更することも、本発明によれば、その波長域に対応する発光単位層の発光強度調整により、比較的容易に実現できる。具体的には、擬似連続スペクトルの有効波長域に属する予め定められた波長域を、当該波長域に対応する色調の演色性が、他の波長域に対応する色調への演色性よりも選択的に高められた演色波長域となるように、擬似連続スペクトルの強度分布を定めるようにする。このような光源により照明を行なうと、上記演色波長域として定めた色調を有する被照明体部分を鮮やかに目立たせることができる。図３２にそのような演色波長域を有する擬似連続スペクトルの例を示す。実線は赤領域である６５０ｎｍ付近に強度ピークが設けらており、赤系の色調（例えば、食肉の色などである）への演色性を高めることができる。他方、一点鎖線は、緑領域である５５０ｎｍ付近に強度ピークが設けらており、緑系の色調への演色性を高めることができる。特に、公園や庭などをライトアップしたとき、植物の緑を鮮やかに演出することができる。
【００５７】
このような演色波長域を形成するには、演色波長域に寄与する発光単位層の発光強度を、他の波長域に寄与する発光単位層の発光強度よりも高く設定すればよい。例えば、図１５には、演色波長域に寄与する発光単位層（Ｅｇｘ）の層数を、他の発光単位層の層数よりも選択的に増加させた例を示している。
【００５８】
以下、上記の光源モジュール５０を用いた照明装置の実施形態について説明する。図２３は、本発明の一実施形態である照明装置９０の回路図である。この照明装置９０は、発光素子１０，２０（光源モジュール５０）と、当該発光素子１０，２０に発光駆動電力を供給する電力供給部７０とを有し、発光素子１０，２０からの可視光を照明光として取り出す。電力供給部７０は、電源部１００からの出力電圧を発光素子駆動電圧に変換する電圧変換部９９，１１１，１２１を有する。本実施形態において、第一の素子１０は、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子であり、駆動電圧は２Ｖ前後、動作電流値は１００ｍＡ〜１Ａ程度であり、消費電力は０．２〜２Ｗ程度である。また、第二の素子２０は、ＩｎＧａＡｌＮ系の発光素子であり、駆動電圧は３Ｖ前後、動作電流値は１００ｍＡ〜１Ａ程度であり、消費電力は０．３〜３Ｗ程度である。外部電源としては、商用交流（例えばＡＣ１００Ｖ）、乾電池（例えばＤＣ１．５Ｖ）あるいは自動車用バッテリー（ＤＣ９〜１５Ｖ）であり、電源回路（電圧変換部）により発光素子駆動電圧に変換して使用するのが妥当である。
【００５９】
光源モジュール５０は、半導体発光素子を用いているので白熱電球等と比較すればはるかに長寿命であるが、長期間使用していると発光強度が低下し、やがては寿命にいたる。従って、寿命到来した場合に、光源の交換ができるようになっていると便利である。図２３に示すように、電圧変換部１１１，１２１には、発光素子駆動電圧を出力する駆動電圧出力端子１３０，１３１，１３２が設けられている。また、光源モジュール５０は、図２２に示すように、発光素子１０，２０と受電端子６１，６２，６３とが一体化されたものとしておき、受電端子６１，６２，６３にて駆動電圧出力端子１３０，１３１，１３２に着脱可能に取り付けられるようにすればよい。このようにしておくと、寿命到来した光源モジュール５０を取り外し、新しい光源モジュール５０を受電端子６１，６２，６３にて駆動電圧出力端子１３０，１３１，１３２に装着するだけで、交換作業を簡単に行なうことができる。
【００６０】
図１に示す光源モジュール５０においては、金属導体よりなるカソード用ステージ５３上に、Ａｇペースト等の金属導体ペーストを介して両素子１０，２０の第二電極３，１３が接続されている。また、素子１０，２０の第一電極９，１９は、導体金具５１及び５２に金属リード９ａ、１９ａにより接続されている。カソード側となる第二電極３，１３は、カソード用ステージ５３にて共通結線され、該カソード用ステージ５３より、受電端子の１つをなすカソード端子６３が取り出される。一方、導体金具５１及び５２からは、受電端子をなす個別のアノード端子６１，６２が取り出されている。そして、これら受電端子６１，６２，６３を突出させた形で、カソード用ステージ５３、素子１０，２０及び導体金具５１及び５２の全体が、透光性の樹脂モールド６０により覆われて、光源モジュール５０が構成されている。樹脂モールド６０はアクリル樹脂等の熱可塑性樹脂を使用できるが、２素子からの光が十分に混合されるように、樹脂モールド６０中に、気泡やガラスあるいはセラミックよりなる光散乱粒子２６１を分散配合しておくとよい。
【００６１】
なお、光源モジュール５０に組み込む第一の素子１０及び第二の素子２０の数は、図１０に示すように、各々１つずつとすることもできるし、図１１及び図１２に示すように、複数個組み込むこともできる。図１１では、発光強度向上のため、各素子１０，２０をいずれも同数ずつ設けた例であり、発光波長帯域の異なる両素子１０，２０からの光を十分混合して出力できるよう、一定の経路（個々では、周方向）に沿って素子１０，２０を交互に配置してある。一方、図１２は、合成すべきスペクトルの波形調整や、あるいは両素子１０，２０の発光レベルをマッチングさせる等の目的で、素子１０，２０の数を異ならせて設けた例を示す。
【００６２】
図２３においては、電源部として商用交流電源１００が使用されている。そして、電圧変換部は、該商用交流電源を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ９９を有するものとされている。これにより、商用交流による既存の電燈線等に、照明装置９０を簡単に取り付けて使用できる。ＡＣ／ＤＣコンバータ９９は、例えばコンセントプラグ等で構成された電源電端子１３５にて、商用交流電源１００に接続される。図２３の実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータ９９は、商用交流電源１００の電源電圧（例えば１００Ｖ）を所定の電圧（例えば５〜１５Ｖ）に降圧するトランス１４０と、降圧後の交流を整流する整流部１４１を有する。ここでは、整流部１４１としてダイオードブリッジを用い、全波整流を行なうようにしている。
【００６３】
整流部１４１による整流波形は、コンデンサ１４２にて平滑化された後、各素子１０，２０の駆動安定化電源回路１１１，１２１に分配入力される。駆動安定化電源回路１１１，１２１は、それぞれレギュレータＩＣ１１２，１２２（コンデンサ１１３，１１４、１２３，１２４は発振防止用のものである）を有し、ＡＣ／ＤＣコンバータ９９からの入力電圧を、各素子１０，２０に適した直流駆動電圧に変換して、アノード側駆動電圧出力端子１３０，１３１に出力する。なお、素子１０，２０の共通化されたカソード端子６３は、接地側駆動電圧出力端子１３２を介して接地線Ｇに接続される。
【００６４】
図２２は、図２３の回路による照明装置９０を、電燈２６３として構成した例である。この例では、光源モジュール５０に端子ケース６６及び電球バルブ６５が組みつけられて、電球状の光源ユニット６４が形成されている。端子ケース６６の末端面からは、受電端子６１，６２，６３がピン状に引き出されている。また、端子ケース６６には、光源モジュール５０を覆う透光性の電球バルブ６５が一体化されている。電球バルブ６５は、ガラスあるいはアクリル樹脂等の透光性を有する熱可塑性樹脂にて構成でき、気泡やガラスあるいはセラミックよりなる光散乱粒子を分散配合しておくか、あるいは内面をすりガラス状の面粗し部としておくことにより、光分散効果、ひいては各素子１０，２０からの光の混合効果を高めることができる。
【００６５】
電燈２６３は本体ケース７３を有し、該本体ケース７３に取付凹部１３３ａを有する光源ソケット１３３が設けられている。光源ユニット６４は端子ケース６６にて光源ソケット１３３の取付凹部１３３ａに挿入され、その底面に設けられた雌コネクタ状の駆動電圧出力端子１３０，１３１，１３２に受電端子６１，６２，６３がそれぞれ差し込まれて装着される。駆動電圧出力端子１３０，１３１，１３２は、電力供給部７０の基板に接続され、さらに電力供給部７０への電力供給線１３４ａが、周知のスイッチボックス７２を経て、電源プラグ１３５を有した電源コード１３４に接続されている。電源プラグ１３５を商用交流コンセントに差し込めば、電力供給部７０を介して光源ユニット６４の光源モジュール５０に給電され、所期のスペクトルの照明光にて電燈２６３を点灯することができる。なお、操作部７４によりスイッチボックス７２を操作すれば、光源モジュール５０への給電がＯＮ／ＯＦＦされ、電燈２６３の点灯／消灯を簡単に行なうことができる。
【００６６】
なお、図２２の電燈２６３は、発光素子を用いた光源モジュール専用の装置として構成されていた。この場合、既存の白熱電球等を使用する照明装置には、光源モジュールを流用できない欠点がある。そこで、電圧変換部を、商用交流電源に直結された電球用ソケットに対し、電球用ソケットと互換性を有する装着導体部にて着脱可能に装着できるように構成しておけば、既存の電球用ソケットとの互換性を生じ、普及を促進することができる。以下、その例について説明する。まず、電球用ソケットに電圧変換部を直結できるようにするには、電圧変換部をなるべくコンパクトで小型に構成する必要がある。図２４に例示する回路９１の構成では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１を、トランスに代えて、専用ＬＳＩ１０２（例えば、ローム（株）製、ＢＰ５０５７−１５など）により構成し、軽量化を図っている。該ＬＳＩ１０２は、周辺のダイオード１０９、コンデンサ１０３，１０６，１０８、抵抗１０４及びコイル１０７により、ステップダウン型降圧回路を構成する。これ以外の部分の回路構成は、図２３と全く同じなので詳細な説明は省略する。
【００６７】
図２５は、具体的な電燈８０の実施形態を示すものである。この構成では、電力供給部７０を有した変換アダプタ１５０を構成し、商用交流電源に直結された電球用ソケット８４に対し、これと互換性を有する装着導体部８７にて変換アダプタ１５０を着脱可能に装着できるようにしてある。電球用ソケット８４は、ベース８２とともにねじ等の締結部材８２ａにより天井や壁面などの被装着部に取り付けられる。そして、電球用ソケット８４の内面には、雌ねじ状のソケット金具８５と、これと絶縁状態で配置されたソケット側底部端子金具８６とが配置され、電燈線１３６により商用交流電源から受電する。変換アダプタ１５０は、電力供給部７０を収容したケース１５２を備え、電力供給部７０の２つの交流入力部（一方が接地である）にそれぞれ接続される、電球用口金と同形状の雄ねじ状の装着導体部８７と、アダプタ側底部端子金具８８とが、ケース１５２から突出して設けられている。ケース１５２には、図２２と略同一構造の電球ソケット１３３が設けられ（共通部分には同一の符号を付与して詳細な説明は省略する）ている。変換アダプタ１５０を装着導体部８７にて電球用ソケット８４に装着すると、装着導体部８７とソケット金具８５及びアダプタ側底部端子金具８８とソケット側底部端子金具８６とがそれぞれ導通し、電力供給部７０が電燈線１３６より商用交流を受電する。そして、該変換アダプタ１５０の電球ソケット１３３に光源ユニット６４を装着すれば、電燈８０を点灯させることができる。なお、光源ユニット６４を覆う透光性フード８１が、ねじ式等の着脱部８３にてベース８２に着脱可能とされている。
【００６８】
また、電力供給部７０と発光素子１０，２０（光源モジュール５０）とを一体不可分に結合し、電圧変換機能付光源ユニットを構成することも可能である。この構成によると、変換アダプタ１５０がなくても、電球用ソケット８４等に発光素子１０，２０を簡単に取り付けて使用することができる。図２６にその実例を示している。該電燈８０’は、図２５の構成と略同じであるが、電力供給部７０と装着導体部８７とが光源モジュール５０に一体化され、電圧変換機能付光源ユニット７９が構成されている。光源モジュール５０の寿命が尽きると、電圧変換機能付光源ユニット７９を単位として、電力供給部７０ごと交換を行なう。
【００６９】
以下、本発明の照明装置の他の実施形態について説明する。
図２７は、燃焼光源を模した照明装置の一例として、蝋燭状の外観を有する照明装置１６０を構成した例である。該照明装置１６０は、図１に示す光源モジュール５０を電力供給部７０により商用交流電源により点灯駆動する。回路構成は、図２３あるいは図２４と全く同じである。そして、光源モジュール５０の発光素子１０，２０の擬似連続スペクトルは、燃焼光の連続スペクトルを模した擬似燃焼光スペクトルを有するものである。具体的には、蝋燭光の連続スペクトルを模するため、図１８よりもさらに色温度の低い擬似連続スペクトル（例えば１５００Ｋ程度）が得られるように、活性層５，１５が設計されている。発光色はさらにオレンジないし赤みの強いものとなる。電力供給部７０は蝋燭の軸を模した本体１６２内に収容され、その先端に光源モジュール５０が配置されるとともに、その外側を、炎の外観形状を真似た透光性フード１６１で覆っている。電力供給部７０は、本体１６２から引き出された電源コード１３４及び電源プラグ１３５を介して、コンセントより受電する。
【００７０】
図２８の照明装置１７０は、複数の光源モジュール５０を直線的に配置して、直管状の蛍光ランプに代用できるようにしたものである。該照明装置１７０においては、本体ケース１７２内に電力供給部７０が収容されている。また、本体ケース１７２の長手方向の一側面上には、光源モジュール５０が予め定められた間隔にて配置されており、本体ケース１７２に着脱可能な透光性フード１７１により外側が覆われている。光源モジュール５０は、図３２に実線にて示すような、赤色領域に演色波長域を有するものである。例えば、食肉店や食肉売り場には、図２９に示すような商品２０１の陳列用冷蔵庫２００が配置されるが、その冷蔵庫２００の内側を照明装置１７０にて照明することができる。図３０に示すように、この照明装置１７０により照らされた食肉２０１ｍは赤色が鮮やかに映えて見え、消費者の購買意欲をくすぐることができる。
【００７１】
また、図３１の照明装置１８０及び１８１は野外照明用に構成した例であり、いずれも、図１と同タイプの光源モジュールを備えている。ここで使用される光源モジュールは、図３２に一点鎖線にて示すような、緑色領域に演色波長域を有するものである。例えば、図３１に示すように、これら照明装置１８０及び１８１により照らされた樹木ＴＲや芝生ＧＬ等の植物は緑色がひときわ鮮やかに浮き立って見え、夜間の庭や公園を美しく幻想的にライトアップすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子を用いた光源モジュールの一例を示す模式図。
【図２】第一の発光素子の全体構成例を示す模式図。
【図３】第二の発光素子の全体構成例を示す模式図。
【図４】第一の発光素子の活性層の構成例を示すバンド図。
【図５】第一の発光素子による擬似連続スペクトルの概念説明図。
【図６】可視光に対する相対視感度の波長依存性を示すグラフ。
【図７】第二の発光素子の活性層の構成例を示すバンド図。
【図８】第二の発光素子による擬似連続スペクトルの概念説明図。
【図９】第一の発光素子と第二の発光素子との合成スペクトルの概念図。
【図１０】光源モジュールにおける第一の発光素子と第二の発光素子との第一配置例を示す平面図。
【図１１】同じく第二配置例を示す平面図。
【図１２】同じく第三配置例を示す平面図。
【図１３】活性層の第一変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図１４】活性層の第二変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図１５】活性層の第三変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図１６】活性層の第四変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図１７】可視光帯域の太陽光スペクトルを示す説明図。
【図１８】可視光帯域の白熱電球のスペクトルを示す説明図。
【図１９】蛍光ランプのスペクトルの一例を示す説明図。
【図２０】活性層の第五変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図２１】活性層の第六変形例を示す伝導体底側のバンド図。
【図２２】本発明の照明装置の第一実施形態を示す断面図。
【図２３】本発明の照明装置の第一回路構成例を示す図。
【図２４】本発明の照明装置の第二回路構成例を示す図。
【図２５】本発明の照明装置の第二実施形態を示す断面図。
【図２６】本発明の照明装置の第三実施形態を示す断面図。
【図２７】本発明の照明装置の第四実施形態を示す断面図。
【図２８】本発明の照明装置の第五実施形態を示す断面図。
【図２９】図２８の照明装置の使用例を示す図。
【図３０】図２９の効果説明図。
【図３１】本発明の照明装置の第六実施形態を示す断面図。
【図３２】本発明の発光素子により実現される、演色波長域を有する擬似連続スペクトルの例を示す模式図。
【図３３】単一の発光素子により構成した光源モジュールの例を示す図。
【図３４】有効波長域にブロードな単一ピークを有する擬似連続スペクトルの一例を示す模式図。
【図３５】擬似連続スペクトルのリップル率の定義を説明する図。
【符号の説明】
１０，２０　発光素子
８，１８　ダブルへテロ発光層部
５，１５　活性層
Ｗ１〜Ｗｎ　井戸層（発光単位層）
Ｂ　障壁層
１０　第一の素子
２０　第二の素子
５０　光源モジュール
７０　電力供給部
１００　電源部
９９，１１１，１２１　電圧変換部
１３０，１３１，１３２　駆動電圧出力端子
６１，６２，６３　受電端子
７９　電圧変換機能付光源ユニット
８４　電球用ソケット
８７　装着導体部

Claims

ピーク波長の異なる複数の発光を合成することにより、合成後のスペクトルのピーク波長での発光強度を基準強度として、該基準強度の５％以上の発光強度を示す有効波長域が、５０ｎｍ以上の波長幅にわたって確保された、擬似連続スペクトルを有する光を発光出力することを特徴とする発光素子。
前記擬似連続スペクトルを有する光は可視光であり、前記有効波長域が５０ｎｍ以上の波長幅にわたって可視光域内に確保されてなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部の活性層が、バンドギャップエネルギーの相違する複数の発光単位層を含んで構成され、それら発光単位層からの発光の組合せに基づいて前記擬似連続スペクトルを有した光を発光出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記発光単位層は２つの障壁層に挟まれた井戸層よりなることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
前記井戸層の層厚及び／又は層数にて前記発光単位層の発光強度が調整されることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルにおいて、発光強度の高い波長域ほど、該波長域に寄与する前記井戸層の層厚及び／又は層数が大きく設定されることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
前記井戸層は、発光波長の短い前記発光単位層ほど井戸深さが小さく設定されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の発光素子。
前記発光単位層は量子井戸構造を有することを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の発光素子。
前記量子井戸構造をなす前記発光単位層は、前記井戸層の層数にて発光強度が調整されることを特徴とする請求項８記載の発光素子。
前記井戸層は、発光波長の短い前記発光単位層ほど層厚が小さく設定されることを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子。
前記ダブルへテロ発光層部は、積層方向片側の主表面が光取出面とされており、前記発光単位層は、発光波長の長いものほど、前記活性層の層厚方向において前記光取出面より遠い位置に配置されることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
発光波長の互いに異なる複数の前記発光単位層を繰り返し単位として、該繰り返し単位を前記活性層の層厚方向において複数形成したことを特徴とする請求項３ないし１０のいずれか１項に記載の発光素子。
前記ダブルへテロ発光層部は、積層方向片側の主表面が光取出面とされており、前記繰り返し単位内にて前記発光単位層は、発光波長の長いものほど、前記活性層の層厚方向において前記光取出面より遠い位置に配置されることを特徴とする請求項１２記載の発光素子。
複数の前記発光単位層は、バンドギャップエネルギーの大小配列において、隣接するバンドギャップエネルギー間の差分値が０．４２ｅＶ以下であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルの前記有効波長域を、発光波長の異なる４以上の前記発光単位層により合成することを特徴とする請求項１４記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルが、前記有効波長域の全体に渡ってリップル率が０．１以下となっていることを特徴とする請求項１５記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルが、前記有効波長域において単一のピークを有するブロードな連続スペクトルとなるか、あるいは該有効波長域において波長に対し強度が単調に増加又は減少するものとなっていることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の発光素子。
前記ダブルへテロ発光層部が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて構成され、前記有効波長域が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の波長範囲内に確保されていることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルの前記有効波長域に属する予め定められた波長域が、当該波長域に対応する色調の演色性を、他の波長域に対応する色調への演色性よりも選択的に高めた演色波長域となるように、前記擬似連続スペクトルの強度分布が定められてなることを特徴とする請求項１ないし１８ののいずれか１項に記載の発光素子。
前記演色波長域に寄与する前記発光単位層の発光強度が、他の波長域に寄与する前記発光単位層の発光強度よりも高く設定されてなることを特徴とする請求項１９記載の発光素子。
各々化合物半導体よりなるダブルへテロ発光層部を有してなり、該ダブルへテロ発光層部の活性層に含まれる発光単位層の発光波長が、５２０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲で設定される第一の素子と、同じく３６０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲で設定される第二の素子とが組み合わされてなり、それら第一の素子と第二の素子との少なくとも一方が、前記活性層中に前記発光単位層を複数含んでなることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
前記第一の素子は、前記ダブルへテロ発光層部が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて構成され、前記第二の素子は、前記ダブルへテロ発光層部がＩｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_１− _ａ ₋ _ｂＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１）にて構成されてなることを特徴とする請求項２１記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルは、波長７１０ｎｍ以上の赤外発光成分を含まないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記擬似連続スペクトルは、波長３５０ｎｍ以下の紫外発光成分を含まないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子。
請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の発光素子と、当該発光素子に発光駆動電力を供給する電力供給部とを有し、前記発光素子からの前記可視光を照明光として取り出すようにしたことを特徴とする照明装置。
前記電力供給部は、電源部からの出力電圧を発光素子駆動電圧に変換する電圧変換部を有してなることを特徴とする請求項２５記載の照明装置。
前記電圧変換部には前記発光素子駆動電圧を出力する駆動電圧出力端子が設けられ、前記発光素子と受電端子とが一体化された光源モジュールが、前記受電端子にて前記駆動電圧出力端子に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項２６記載の照明装置。
前記電源部として商用交流電源を使用し、前記電圧変換部は、該商用交流電源を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを有することを特徴とする請求項２６又は２７に記載の照明装置。
前記電圧変換部が、前記商用交流電源に直結された電球用ソケット対し、前記電球用ソケットと互換性を有する装着導体部にて着脱可能に装着される請求項２８記載の照明装置。
前記電圧変換部と前記発光素子とが一体不可分に結合されて、電圧変換機能付光源ユニットを構成してなることを特徴とする請求項２９記載の照明装置。