JP2004363149A

JP2004363149A - 発光素子およびその製造方法ならびに蛍光体基板とその製造方法

Info

Publication number: JP2004363149A
Application number: JP2003156412A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fujimoto; 康弘藤本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】白色光源に用いられる発光素子の演色性を改善する。
【解決手段】白色光源は、発光素子１０１、その発光素子１０１から放出された青色光によって励起されて５５０ｎｍ付近及び６５０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する母材基板１０２、メタルステム１０３、発光素子１０１を包囲する樹脂モールド１０４からなる。母材基板１０２はサファイアよりなり、発光素子１０１から放出された青色光を白色光に変換するために、母材基板中の不純物は深さ方向に対して、高濃度に不純物が添加された領域とその高濃度領域よりも低濃度に不純物が添加された領域を持つように形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛍光体及びこれを含んだ発光素子及びこれらの製造方法に関するものであり、さらに詳しく言えば、例えば発光ダイオードなどの半導体発光素子から放出された放射光を可視光に変換するための薄膜蛍光体及びこれを集積化した発光素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、白色光照明装置は、特許文献１に示すように主に蛍光体及びこれを励起する発光素子から構成され、図５に示すような構造を有している。５０１は１ｍｍ角以下に切断された一般式Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（但しｘは０≦ｘ≦１である）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子、５０２はその発光素子５０１から放出された青色光によって励起されて５７０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する蛍光体、５０３はメタルステム、５０４は発光素子５０１を包囲する樹脂モールドである。白色光照明装置は、発光素子５０１から放出される青色光と蛍光体５０２から放出される黄色光が混合されることによって、観察者は白色光として感知する。
【０００３】
なお、この従来の発光素子に係る発光スペクトルを、図６に示す。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５２６０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構造では図６のスペクトルに示すように赤色光成分が弱く演色性が悪いという課題があった。すなわち、従来の構造では演色性が悪いために、赤色の物質に白色光が当たったときに、少しオレンジ色に見え、白色光をバックライトで使用するには、カラーフィルタに工夫をして対処するしかなかった。
【０００６】
また、この従来の構造については、白色蛍光体の厚さに対して、白色光が非常に敏感であるという課題があった。たとえば蛍光体の厚さが薄すぎると、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）から放出された青色光が所望以上の量で蛍光体を透過してしまう。その結果、ＬＥＤの出力が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は青味がかって見える。それに対し、蛍光体が厚すぎると、厚い蛍光体層を透過するＬＥＤからの青色光が所望量より少なくなる。その場合、蛍光体の黄色の出力が優勢となるために、ＬＥＤと蛍光体の合成光出力は黄色味がかって見える。そのため蛍光体厚さの変動により白色光照明用途に適さない白色光（青味がかった色や黄色味がかった色）をもたらし、白色光源の製造歩留りは許容し得ないほどに低くなることがあった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、演色性を改善し、高い製造歩留りで白色光を容易に実現する蛍光体及びこれを集積化した発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の発光素子は、不純物を添加した母材基板と、前記母材基板に接する形で形成された半導体発光素子とを有し、前記母材基板は前記半導体発光素子からの励起光により可視領域にて発光するものである。この構成により、発光素子からの励起光を結合効率よく母材基板に照射することができる。したがって、高効率な白色光照明装置を実現することができる。
【０００９】
本発明の発光素子は、さらに前記母材基板中の前記不純物は、高濃度に前記不純物が添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に前記不純物が添加された領域を有し、各々の領域がいずれも前記半導体発光素子からの励起光によって発光することが好ましい。
【００１０】
本発明の発光素子は、さらに前記母材基板において、前記励起光の入射方向に対して、前記不純物が高濃度に添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に添加された領域を比較した場合に前記高濃度領域が前記低濃度領域よりも深いことが好ましい。
【００１１】
本発明の発光素子は、さらに前記母材基板が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスであることが好ましい。
【００１２】
本発明の発光素子は、さらに前記母材基板がサファイアであることが好ましい。
【００１３】
本発明の発光素子は、さらに前記不純物がＳｉであることが好ましい。
【００１４】
本発明の発光素子は、さらに前記Ｓｉが直径１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下の粒子であることが好ましい。
【００１５】
本発明の発光素子は、さらに前記Ｓｉの濃度が１×１０^１６ｃｍ^−２〜１×１０^１７ｃｍ^−２であることが好ましい。
【００１６】
これらの好ましい構成により、母材基板が前記半導体発光素子からの励起光により可視領域にて発光することができるので、演色性が改善され、高い製造歩留りで白色光を容易に実現する白色光照明装置を実現することができる。
【００１７】
本発明の発光素子は、さらに前記半導体発光素子を構成する材料がＩＩＩ族窒化物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であることが好ましい。この好ましい構成により、直接遷移型半導体を用いることで光出力効率が高い半導体発光素子を実現できるので、前記母材基板中の不純物を効率よく安定して励起することができる。すなわち、安定した光出力をもつ励起光源として利用することができる。
【００１８】
本発明の発光素子の製造方法は、母材基板中に不純物を混入させる工程と、前記母材基板に半導体発光素子を密着させる工程とを有するものである。この構成により、簡易に大規模生産に適した、蛍光体及び発光素子からなる白色光照明装置を作製することができる。
【００１９】
本発明の発光素子の製造方法は、さらに前記不純物をイオン注入法により母材基板中に混入させることが好ましい。この好ましい構成によれば、母材基板中の所望の深さ方向に所望量の不純物を混入することができ、高い製造歩留りの白色光照明装置を実現することができる。
【００２０】
本発明の発光素子の製造方法は、さらに前記不純物としてＳｉを用いることが好ましい。この好ましい構成によれば、前記母材基板中の酸素がＳｉ表面のダングリングボンドを終端し、界面準位が低減され、高効率発光が可能な蛍光体を実現することができる。
【００２１】
本発明の発光素子の製造方法は、さらに前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を１８０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１７ｃｍ^−２以上３×１０^１７ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の発光素子の製造方法は、さらに前記イオン注入を、複数回に分けて行うことが好ましい。この好ましい構成によれば、各イオン注入により発光素子の発光中心を選択することができる。
【００２３】
本発明の発光素子の製造方法は、さらに前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を５０ｋｅＶ以上８０ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１６ｃｍ^−２以上３×１０^１６ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。
【００２４】
本発明の蛍光体基板は、母材基板に不純物が添加されたものである。
【００２５】
この構成により、母材基板を光励起により発光させることができる。
【００２６】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記母材基板中の前記不純物は、高濃度に前記不純物が添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に前記不純物が添加された領域を有することが好ましい。
【００２７】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記母材基板が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスであることが好ましい。
【００２８】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記母材基板がサファイアであることが好ましい。
【００２９】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記不純物がＳｉであることが好ましい。
【００３０】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記Ｓｉが直径１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下の粒子であることが好ましい。
【００３１】
本発明の蛍光体基板は、さらに前記Ｓｉの濃度が１×１０^１６ｃｍ^−２〜１×１０^１７ｃｍ^−２であることが好ましい。
【００３２】
本発明の蛍光体基板の製造方法は、母材基板中に不純物をイオン注入法により混入させる工程を有するものである。
【００３３】
この構成により、不純物をイオン注入法により混入させているので、蛍光体材料の分布を制御することができる。
【００３４】
本発明の蛍光体基板の製造方法は、さらに前記不純物としてＳｉを用いることが好ましい。
【００３５】
本発明の蛍光体基板の製造方法は、さらに前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を１８０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１７ｃｍ^−２以上３×１０^１７ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。
【００３６】
本発明の蛍光体基板の製造方法は、さらに前記イオン注入を、複数回に分けて行うことが好ましい。この好ましい構成によれば、イオン注入により蛍光体基板の発光中心を選択することができる。
【００３７】
本発明の蛍光体基板の製造方法は、さらに前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を５０ｋｅＶ以上８０ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１６ｃｍ^−２以上３×１０^１６ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。
【００３９】
図１は本発明の実施形態における蛍光体及びこれを集積化した発光素子を示す図面である。
【００４０】
本発明の、蛍光体を集積化した発光素子は、一般式がＢ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる少なくとも一つの半導体層を含む発光素子１０１、その発光素子１０１から放出された青色光によって励起されて５５０ｎｍ付近（以下、緑色発光領域という）及び６５０ｎｍ付近（以下、赤色発光領域という）に発光ピークを有する波長を発光する母材基板１０２、メタルステム１０３、発光素子１０１を包囲する樹脂モールド１０４である。母材基板１０２はサファイアよりなり、発光素子１０１から放出された青色光を白色光に変換するために、母材基板中の不純物は深さ方向に対して、高濃度に不純物が添加された領域とその高濃度領域よりも低濃度に不純物が添加された領域を持つように形成されている。さらに、母材基板中の不純物は高濃度に添加された領域とその高濃度領域よりも低濃度に添加された領域を比較した場合に、発光素子１０１からの励起光の入射方向に対して高濃度領域の方が低濃度領域よりも深く、個々の領域がいずれも発光素子１０１からの励起光によって発光する。ここで、不純物の濃度が高濃度であることとは、母材基板１０２から放出される発光色が長波長、すなわち赤色発光領域であることを示す。したがって、母材基板１０２中に５５０ｎｍ付近及び６５０ｎｍ付近に発光ピークを有する波長を発光する領域が形成されており、発光素子１０１から放出された青色光が母材基板１０２中の赤色発光領域の不純物を励起し、さらに緑色発光領域の不純物も励起する。その結果、発光素子１０１から青色光、母材基板１０２から赤色及び緑色光がそれぞれ放出され白色光を得ることができる。
【００４１】
図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態における蛍光体及びこれを集積化した発光素子の製造工程図である。図２（ａ）に示すように、母材基板２０１中にイオン注入法を用いて不純物であるＳｉイオン２０２を打ち込む。
【００４２】
イオン注入法では加速電圧を変化させることにより、打ち込むイオンの深さを変化させることができる。本発明では、このイオン注入時の加速電圧を調整することにより、母材基板２０１に注入するＳｉイオン２０２の深さを制御し、発光素子から放出される青色光によって励起される不純物Ｓｉを赤色発光領域及び緑色発光領域の二領域に分ける。
【００４３】
また、母材基板２０１での発光色は、Ｓｉ注入量を制御することで紫外域から赤外域まで発光可能となる。本工程では、母材基板２０１中で発光した赤色光が吸収されないようにするために、緑色光を実現するために必要なイオン注入工程よりも先に赤色発光に必要なイオン注入工程を行うことが望ましい。その際、イオン注入の加速電圧は母材基板２０１中に深く形成するために１８０〜２００ｋｅＶの範囲で、注入量は１〜３×１０^１７ｃｍ^−２とする必要がある。
【００４４】
次に図２（ｂ）に示すように、緑色光に実現するために必要なイオン注入を母材基板２０１中に行う。その際、すでに注入された赤色発光領域２０３よりも表面付近に浅く形成するために、イオン注入の加速電圧は５０〜８０ｋｅＶの範囲で、注入量は１〜３×１０^１６ｃｍ^−２とする必要がある。
【００４５】
次に図２（ｃ）に示すように、イオン注入されたＳｉを母材基板２０１中で直径１〜１０ｎｍの粒子状に形成させるために、熱アニールを行う。効果的にＳｉ粒子を形成するためには、７００℃以上、３０分間、窒素雰囲気中で熱アニールを行うことが望ましい。
【００４６】
次に図２（ｄ）に示すように、赤色発光領域２０３及び緑色発光領域２０４が形成された母材基板２０１を発光素子２０５上に実装する。ここでは、発光素子２０５からの励起光を結合効率よく母材基板２０１に照射することができるように、発光素子２０５と母材基板２０１を紫外線硬化樹脂などで密着させる。この結果、発光素子２０５から放出された青色光が母材基板２０１中のＳｉを励起し、赤色光及び緑色光がそれぞれ放出され、合成光出力光として白色光が出力される。
【００４７】
図３は図１に示す蛍光体及びこれを集積化した発光素子において、イオン注入時の加速電圧を変化させた場合の母材基板１０２中のＳｉ濃度を理論計算した結果である。加速電圧を減少させることにより、母材基板１０２中のＳｉ濃度分布が表面側にシフトすることがわかる。本実施形態では、母材基板１０２中から緑色及び赤色光を実現するために、加速電圧はそれぞれ７０ｋｅＶ及び２００ｋｅＶとし、注入量はそれぞれ１×１０^１６ｃｍ^−２及び１×１０^１７ｃｍ^−２とした。これにより、母材基板１０２は深さ方向に対してＳｉ濃度の高い領域と低い領域が形成される。さらに、母材基板１０２中のＳｉ濃度の高い領域と低い領域を比較した場合に、Ｓｉ濃度の高い領域の方が低い領域よりも深く存在し、個々の領域がいずれも発光素子１０１からの励起光によって発光する蛍光体となる。
【００４８】
図４は図１に示す蛍光体及びこれを集積化した発光素子からなる白色光照明装置において、発光スペクトルを測定した結果である。発光素子１０１から放出される青色光と、その青色光によって励起され、母材基板１０２から発光する赤色光及び緑色光が合成され、白色光を容易に実現できていることがわかる。また、イオン注入時の加速電圧及び注入量を制御することにより、白色照明用途に必要な白色光を高い製造歩留りで実現できることがわかる。その結果、演色性の度合いを示す演色評価数Ｒａは、従来の構造が８０以下であったのに対し、９０以上にまで改善された。
【００４９】
このように本発明の構造により、演色性を改善し、高い製造歩留りで白色光を容易に実現する蛍光体及びこれを集積化した発光素子が得られる。
【００５０】
なお、上記実施の形態において、発光素子１０１をエピタキシャル成長する基板として、例えばサファイア基板、ＳｉＣ基板またはスピネル基板を用いることができる。
【００５１】
また、上記実施の形態において、発光素子１０１としてＩＩＩ族窒化物半導体以外に、Ｚｎ_ｘＣｄ_１−ｘＳ_ｙＳｅ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体からなる少なくとも一つの半導体層を含む発光素子を用いてもよい。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を発光素子１０１の材料に選んだ場合、発光素子１０１をエピタキシャル成長する基板として、例えばＧａＡｓ基板を用いることができる。
【００５２】
また、上記実施の形態において、母材基板１０２が発光素子１０１からの光に対して透光性を有するものであるならば、母材基板１０２と発光素子１０１をエピタキシャル成長する基板とが同一であってもよい。
【００５３】
また、母材基板として、石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスを用いてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、演色性を改善し、高い製造歩留りで容易に白色光を実現させることができる発光素子を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における蛍光体及びこれを集積化した発光素子の模式断面図
【図２】本発明の実施形態における蛍光体及びこれを集積化した発光素子の製造工程図
【図３】本発明の実施形態におけるイオン注入の加速電圧変化に対する母材基板中のＳｉ濃度を理論計算した結果を示す図
【図４】本発明の実施形態における蛍光体及びこれを集積化した発光素子の発光スペクトル測定結果を示す図
【図５】従来の白色照明装置の模式断面図
【図６】従来の白色照明装置の発光スペクトルを示す図
【符号の説明】
１０１、２０５、５０１発光素子
１０２、２０１母材基板
１０３、５０３メタルステム
１０４、５０４樹脂モールド
２０２Ｓｉイオン
２０３赤色発光領域
２０４緑色発光領域

Claims

不純物を添加した母材基板と、前記母材基板に接する形で形成された半導体発光素子とを有し、前記母材基板は前記半導体発光素子からの励起光により可視領域にて発光することを特徴とする発光素子。
前記母材基板中の前記不純物は、高濃度に前記不純物が添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に前記不純物が添加された領域を有し、各々の領域がいずれも前記半導体発光素子からの励起光によって発光することを特徴とする、請求項１記載の発光素子。
前記母材基板において、前記励起光の入射方向に対して、前記不純物が高濃度に添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に添加された領域を比較した場合に前記高濃度領域が前記低濃度領域よりも深いことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
前記母材基板が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスであることを特徴とする請求項１〜３記載のいずれか１つに記載の発光素子。
前記母材基板がサファイアであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記不純物がＳｉであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記Ｓｉが直径１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
前記Ｓｉの濃度が１×１０^１６ｃｍ^−２〜１×１０^１７ｃｍ^−２であることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
前記半導体発光素子を構成する材料がＩＩＩ族窒化物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
母材基板中に不純物を混入させる工程と、前記母材基板に半導体発光素子を密着させる工程とを有することを特徴とする発光素子の製造方法。
前記不純物をイオン注入法により母材基板中に混入させることを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
前記不純物としてＳｉを用いることを特徴とする請求項１１記載の発光素子の製造方法。
前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を１８０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１７ｃｍ^−２以上３×１０^１７ｃｍ^−２以下とすることを特徴とする請求項１１または１２記載の発光素子の製造方法。
前記イオン注入を、複数回に分けて行うことを特徴とする請求項１１記載の発光素子の製造方法。
前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を５０ｋｅＶ以上８０ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１６ｃｍ^−２以上３×１０^１６ｃｍ^−２以下とすることを特徴とする請求項１１、１２または１４記載の発光素子の製造方法。
母材基板に不純物が添加されたことを特徴とする蛍光体基板。
前記母材基板中の前記不純物は、高濃度に前記不純物が添加された領域と前記高濃度領域よりも低濃度に前記不純物が添加された領域を有することを特徴とする請求項１６記載の蛍光体基板。
前記母材基板が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスであることを特徴とする請求項１６記載の蛍光体基板。
前記母材基板がサファイアであることを特徴とする請求項１６記載の蛍光体基板。
前記不純物がＳｉであることを特徴とする請求項１６記載の蛍光体基板。
前記Ｓｉが直径１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項２０記載の蛍光体基板。
前記Ｓｉの濃度が１×１０^１６ｃｍ^−２〜１×１０^１７ｃｍ^−２であることを特徴とする請求項２０記載の蛍光体基板。
母材基板中に不純物をイオン注入法により混入させる工程を有することを特徴とする蛍光体基板の製造方法。
前記不純物としてＳｉを用いることを特徴とする請求項２３記載の蛍光体基板の製造方法。
前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を１８０ｋｅＶ以上２００ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１７ｃｍ^−２以上３×１０^１７ｃｍ^−２以下とすることを特徴とする請求項２３または２４記載の蛍光体基板の製造方法。
前記イオン注入を、複数回に分けて行うことを特徴とする請求項２３記載の蛍光体基板の製造方法。
前記不純物をイオン注入するのに、イオン注入の加速電圧を５０ｋｅＶ以上８０ｋｅＶ以下の範囲で行い、イオン注入量を１×１０^１６ｃｍ^−２以上３×１０^１６ｃｍ^−２以下とすることを特徴とする請求項２３、２４または２６記載の蛍光体基板の製造方法。