JP2005216898A - Wavelength transducer, light source and method of manufacturing light source - Google Patents
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Description
本発明は、波長変換素子、波長変換素子を含んだ光源及び光源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により形成された発光素子(本願発明にかかる特許請求の範囲及び明細書においては、半導体層と記載している)が発した光をその光が有する波長とは異なる波長を有する光に変換するための波長変換素子、波長変換素子を含んだ光源及びその光源の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion element, a light source including the wavelength conversion element, and a method for manufacturing the light source. More specifically, the present invention relates to a light-emitting element formed of a semiconductor such as a light-emitting diode. A wavelength conversion element for converting light emitted by a semiconductor layer in the scope and specification into light having a wavelength different from that of the light, a light source including the wavelength conversion element, and The present invention relates to a method for manufacturing a light source.
近年、多色発光素子、すなわち、一つのステム上に青色発光ダイオード(以下、「青色LED」という。)と赤色発光ダイオード(以下、「赤色LED」という。)と緑色発光ダイオード(以下、「緑色LED」という。)とを配置した発光素子(以下、「フルカラーLED」という。)が注目されている。例えば、特許文献1には、図8に示すように、電極となる4本の足ピン404,405,406,407を備えたステム408上に、一対の青色LEDチップ401と赤色LEDチップ402と緑色LEDチップ403とを配置しているフルカラーLED400が開示されている。そして、足ピン406と足ピン404,405,407との間に電圧を印加することにより、各青色LEDチップ401は青色の光を、赤色LEDチップ402は赤色の光を、緑色LEDチップ403は緑色の光を発する。
In recent years, a multicolor light emitting device, that is, a blue light emitting diode (hereinafter referred to as “blue LED”), a red light emitting diode (hereinafter referred to as “red LED”), and a green light emitting diode (hereinafter referred to as “green light emitting diode”) on one stem. A light emitting element (hereinafter referred to as a “full color LED”) in which an “LED” is disposed has attracted attention. For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 8, a pair of
以下に、フルカラーLED400の構造を説明する。それぞれのLEDチップは、裏面にn層電極(不図示)及びp層電極(不図示)をそれぞれ備えており、各n層電極はそれぞれ足ピン406と接続され、各p層電極はそれぞれ足ピン404,405,407と接続されている。まず、足ピン406と各n層電極との接続を説明する。足ピン406はステム408と電気的に接続しているおり、赤色LEDチップ402の裏面及び緑色LEDチップ403の裏面は導電性材質で形成されている。そのため、半田などの導電性の接着材を用いてその赤色LEDチップ402及び緑色LEDチップ403をステム408に接着しさえすれば、赤色LEDチップ402のn層電極及び緑色LEDチップ403のn層電極は足ピン406と電気的に接続される。一方、各青色LEDチップ401の裏面は導電性材質で形成されていないため、各青色LEDチップ401の裏面表面に対しエッチングを行い、その後、そのエッチングを行った部分にオーミック電極(不図示)を付け(オーミック電極がp層電極となる)、金線(不図示)を用いてオーミック電極とステム408とを接続することにより、各青色LEDチップ401のn層電極は足ピン406と電気的に接続される。次に、足ピン404,405,407と各p層電極との接続を説明する。足ピン404,405,407とステム408とは電気的に接続していない。そのため、金線を用いてp層電極とステム408とを接続させることにより、各青色LEDチップ401のp層電極、赤色LEDチップ402のp層電極及び緑色LEDチップ403のp層電極は足ピン404,405,407と電気的に接続する。以上により、青色LEDチップ401,401、赤色LEDチップ402及び緑色LEDチップ403と足ピン404,405,406,407とは電気的に接続され、その結果、足ピン404,405,407と足ピン406との間に外部電圧を印加すると、赤色の光、青色の光及び緑色の光を発する、と記載されている。
しかしながら、特許文献1に開示されているフルカラーLED400は、一つのステム408上に一対の青色LEDチップ401,401と赤色LEDチップ402と緑色LEDチップ403とを配置している。そのため、フルカラーLED400を製造するさいには3種類のLEDチップを用意しなければならず、非常にコストが高くつく。また、ステム408上に、4つのLEDチップ401,401,402,403を実装しなければならず、実装工程が複雑となり製造歩留まりが悪くなる虞がある。
However, the
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造歩留が高くかつ低コストで製造することができる波長変換素子、波長変換素子を用いた光源及び光源の製造方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this point, The place made into the objective is the light source using a wavelength conversion element, a wavelength conversion element, and a light source using a wavelength conversion element which can be manufactured with a high manufacturing yield and low cost. It is to provide a manufacturing method.
本発明の波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。 The wavelength conversion element of the present invention comprises a base material substrate containing impurities, and emits light having a wavelength different from that of the visible light when irradiated with visible light.
また、波長変換素子は、前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発することが好ましい。 The wavelength conversion element includes a plurality of regions having different impurity concentrations in the substrate surface of the base material substrate, and the regions having different impurity concentrations have different wavelengths when irradiated with the visible light. It is preferable to emit the light having.
ここで、母材基板の基板面とは、母材基板の有する面のうち最大の面積を有する面のことである。 Here, the substrate surface of the base material substrate is a surface having the largest area among the surfaces of the base material substrate.
また、波長変換素子において、前記母材基板は、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により形成されていてもよい。 In the wavelength conversion element, the base material substrate may be formed of quartz glass, borosilicate glass, or glass containing silicon dioxide as a main component.
また、波長変換素子において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていてもよい。 In the wavelength conversion element, the base material substrate may be formed of sapphire or spinel.
また、波長変換素子において、前記不純物は、Siであることが好ましい。 In the wavelength conversion element, the impurity is preferably Si.
また、波長変換素子において、前記不純物は、直径が1nm以上10nm以下の粒子であることが好ましい。 In the wavelength conversion element, the impurity is preferably a particle having a diameter of 1 nm to 10 nm.
また、波長変換素子において、前記母材基板は、前記母材基板の基板面内において、前記不純物の濃度が1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下である領域と前記不純物の濃度が1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下である領域とを備えていることが好ましい。 In the wavelength conversion element, the base material substrate includes a region in which the impurity concentration is 1 × 10 17 cm −2 or more and 3 × 10 17 cm −2 or less in the substrate surface of the base material substrate and the impurity. And a region having a concentration of 1 × 10 16 cm −2 or more and 3 × 10 16 cm −2 or less.
また、波長変換素子は、前記可視光線は、青色の光であり、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発することが好ましい。 In the wavelength conversion element, it is preferable that the visible light is blue light, and emits red and green light when irradiated with the blue light.
本発明の光源は、可視光線を発する半導体層と、当該半導体層の表面の一部に設けられた波長変換素子と、当該半導体層に対して電圧を印加する電極と、を備える光源であって、前記半導体層は、前記電極を介して前記電圧が印加されることにより前記可視光線を発し、前記波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、前記可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。 The light source of the present invention is a light source comprising a semiconductor layer that emits visible light, a wavelength conversion element provided on a part of the surface of the semiconductor layer, and an electrode that applies a voltage to the semiconductor layer. The semiconductor layer emits the visible light when the voltage is applied through the electrode, and the wavelength conversion element is formed of a base material substrate containing an impurity, and is irradiated with the visible light. It emits light having a wavelength different from that of the visible light.
また、光源において、前記波長変換素子は、前記母材基板の基板面内において、不純物の濃度が異なる領域を複数備え、前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する。 Further, in the light source, the wavelength conversion element includes a plurality of regions having different impurity concentrations in the substrate surface of the base material substrate, and the regions having different impurity concentrations when irradiated with the visible light include: Each emits light having a different wavelength.
また、光源において、前記母材基板は、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により形成されていてもよい。 Further, in the light source, the base material substrate may be formed of glass mainly composed of quartz glass, borosilicate glass, or silicon dioxide.
また、光源において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていてもよい。 In the light source, the base material substrate may be formed of sapphire or spinel.
また、光源において、前記不純物は、Siであることが好ましい。 In the light source, the impurity is preferably Si.
また、光源において、前記不純物は、直径が1nm以上10nm以下の粒子であることが好ましい。 In the light source, the impurities are preferably particles having a diameter of 1 nm to 10 nm.
また、光源において、前記半導体層は、III族窒化物半導体またはII−VI族化合物半導体により形成されていてもよい。 In the light source, the semiconductor layer may be formed of a group III nitride semiconductor or a group II-VI compound semiconductor.
また、光源において、前記波長変換素子は、前記可視光線が照射される方向に対して垂直な面内において、前記不純物の濃度が1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下である領域と前記不純物の濃度が1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下である領域とを備えていることが好ましい。 In the light source, the wavelength conversion element may have an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −2 or more and 3 × 10 17 cm −2 or less in a plane perpendicular to a direction in which the visible light is irradiated. It is preferable to include a certain region and a region in which the impurity concentration is 1 × 10 16 cm −2 or more and 3 × 10 16 cm −2 or less.
また、光源において、前記可視光線は、青色の光であり、前記波長変換素子は、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発することが好ましい。 In the light source, it is preferable that the visible light is blue light, and the wavelength conversion element emits red and green light when irradiated with the blue light.
本発明の第1の光源の製造方法は、母材基板に不純物を混入させる工程と、前記母材基板を半導体層の表面の一部に戴置する工程と、前記半導体層の前記母材基板が形成されている側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、を含み、前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。 The first light source manufacturing method of the present invention includes a step of mixing impurities into a base material substrate, a step of placing the base material substrate on a part of a surface of a semiconductor layer, and the base material substrate of the semiconductor layer. An electrode is provided on the surface opposite to the side on which the semiconductor layer is formed, and the semiconductor layer emits visible light when a voltage is applied through the electrode and contains the impurities. The material substrate emits light having a wavelength different from that of the visible light when irradiated with the visible light.
本発明の第2の光源の製造方法は、母材基板の表面に半導体層を形成する工程と、前記母材基板に不純物を混入させる工程と、前記半導体層の前記母材基板が存する側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、を含み、前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。 The second light source manufacturing method of the present invention includes a step of forming a semiconductor layer on a surface of a base material substrate, a step of mixing impurities into the base material substrate, a side of the semiconductor layer on which the base material substrate exists, And a step of providing an electrode on the surface on the opposite side, wherein the semiconductor layer emits visible light when a voltage is applied through the electrode, and the base material substrate containing the impurity includes the visible light Is emitted to emit light having a wavelength different from that of the visible light.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記母材基板に不純物を混入させる工程は、イオン注入法により行われることが好ましい。 In the first and second light source manufacturing methods, the step of mixing impurities into the base material substrate is preferably performed by an ion implantation method.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記母材基板に不純物を混入させる工程は、前記母材基板の基板面の一部において、所定の不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、前記母材基板の前記基板面の一部と異なる基板面の部分において、前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、を含むことが好ましい。 Further, in the first and second light source manufacturing methods, the step of mixing impurities into the base material substrate includes a step of forming a region having a predetermined impurity concentration in a part of the substrate surface of the base material substrate. Forming a region having an impurity concentration different from the impurity concentration in the region having the predetermined impurity concentration in a portion of the substrate surface different from a part of the substrate surface of the base substrate. Is preferred.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記不純物は、Siであることが好ましい。 In the first and second light source manufacturing methods, the impurity is preferably Si.
また、第1の光源の製造方法において、前記母材基板は、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により形成されていることが好ましい。 In the first light source manufacturing method, the base material substrate is preferably formed of quartz glass, borosilicate glass, or glass containing silicon dioxide as a main component.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記母材基板は、サファイアまたはスピネルにより形成されていることが好ましい。 In the first and second light source manufacturing methods, the base material substrate is preferably formed of sapphire or spinel.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記半導体層は、III族半導体またはII−VI族半導体により形成されていることが好ましい。 In the first and second light source manufacturing methods, the semiconductor layer is preferably formed of a group III semiconductor or a group II-VI semiconductor.
また、第1、2の光源の製造方法において、前記可視光線が照射されることにより、前記所定の不純物の濃度を有する領域と前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域とはそれぞれ異なる波長を有する光を発することが好ましい。 Further, in the first and second light source manufacturing methods, when the visible light is irradiated, impurities different from the impurity concentration in the region having the predetermined impurity concentration and the region having the predetermined impurity concentration can be obtained. It is preferable to emit light having a wavelength different from that of the region having the concentration.
本発明の波長変換素子では、母材基板に不純物を混入させさえすれば、可視光線が照射されることによりその可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。そのため、複数種のLEDチップを用いることなく、照射光と変換光という波長の異なる光を発する。ここで、照射光は波長変換素子に照射される可視光線を意味し、変換光は可視光線が照射されたことにより発せられる光を意味する。従って、本発明の波長変換素子を用いると、低コストで光源を製造することができるとともに、光源の構成要素の数は減少するため、製造歩留まりが良くなる。また、本発明の光源では、半導体層が可視光線を発し、その可視光線を照射することにより波長変換素子がその可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する。そのため、本発明の光源を製造するためには、半導体層及び本発明の波長変換素子を用意すればよいため、複数種のLEDチップを用意する必要はなく、低コストで製造することができる。また、ステム上には、半導体層及び波長変換素子を形成すればよいため、製造歩留まりをよくすることができる。 In the wavelength conversion element of the present invention, as long as impurities are mixed in the base material substrate, light having a wavelength different from that of the visible light is emitted when irradiated with visible light. Therefore, light having different wavelengths such as irradiation light and converted light is emitted without using a plurality of types of LED chips. Here, the irradiation light means visible light irradiated to the wavelength conversion element, and the conversion light means light emitted when the visible light is irradiated. Therefore, when the wavelength conversion element of the present invention is used, a light source can be manufactured at low cost, and the number of components of the light source is reduced, so that the manufacturing yield is improved. In the light source of the present invention, the semiconductor layer emits visible light, and the wavelength conversion element emits light having a wavelength different from that of the visible light when irradiated with the visible light. Therefore, in order to manufacture the light source of the present invention, it is only necessary to prepare the semiconductor layer and the wavelength conversion element of the present invention. Therefore, it is not necessary to prepare a plurality of types of LED chips, and it can be manufactured at low cost. Moreover, since a semiconductor layer and a wavelength conversion element may be formed on the stem, the manufacturing yield can be improved.
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。なお、以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, embodiment shown below is an example of this invention and this invention is not limited to the following embodiment.
《実施形態1》
以下、実施形態1について図1、2、3、4を参照しながら説明する。
Embodiment 1
The first embodiment will be described below with reference to FIGS.
本実施形態では、光源100の構造、光源100の製造方法及び光源100が複数の色の光を発するメカニズムを説明する。なお、図1は本実施形態における光源100の模式図であり、図2は光源100の製造方法を説明するための図、図3は半導体層102の表面の一部に戴置された及び波長変換素子103の拡大図、図4は光源100が発する光のスペクトル図、である。
In the present embodiment, the structure of the
まず、光源100の構造を説明する。
First, the structure of the
図1に示すように、光源100は、ステム101と、ステム101の表面に設けられている半導体層102と、半導体層102の表面の一部に形成されている波長変換素子103と、半導体層102が形成されていない側のステム101の表面に設けられている2本の電極104,105と、を備えている。
As shown in FIG. 1, a
ステム101は、導電性材質からなり、電極104,105と半導体層102とを電気的に接続している。
The
半導体層102は、一般式がBxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表されるIII族化合物半導体層を少なくとも一層含み、電極104,105を介して電圧が印加されることにより青色の光を発する。
The
波長変換素子103は、サファイアからなる母材基板106(図2に図示)からなり、不純物151、具体的には直径が1nm以上10nm以下であるSi(図2に図示)を含む。そして、母材基板106の基板面内において、不純物の濃度が高い領域(以下、「不純物高濃度領域」という。)103aと不純物の濃度が低い領域(以下、「不純物低濃度領域」という。)103bとを備えており、不純物高濃度領域103aにおける不純物の濃度は1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下であり、不純物低濃度領域103bにおける不純物の濃度は1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下である。そして、波長変換素子103を横から見ると、図1に示すように、不純物高濃度領域103aと不純物低濃度領域103bとは隣接するよう形成されている。そして、半導体層102が発した青色の光が照射されることにより、不純物高濃度領域103aは赤色の光を発し、不純物低濃度領域103bは緑色の光を発する。なお、青色の光とは、スペクトルにおいてピーク波長が440nm以上480nm以下である光であり、緑色の光とは、ピーク波長が520nm以上570nm以下である光であり、赤色の光とは、ピーク波長が620nm以上670nm以下である光である。
The
ここで、母材基板106の基板面は、本実施形態においては半導体層102と波長変換素子103との界面に平行な面である。そして、一般的には、半導体層102の発する青色の光が不純物高濃度領域103a及び不純物低濃度領域103bへ到達することが可能であり、不純物高濃度領域103aの発する光が不純物低濃度領域103bに吸収されることなく光源100の外部へ放出され、且つ、不純物低濃度領域103bの発する光が不純物高濃度領域103aに吸収されることなく光源100の外部へ放出されることができるように、不純物高濃度領域103a及び不純物低濃度領域103bが形成されている。よって、本実施形態において、不純物高濃度領域103a及び不純物低濃度領域103bが積層構造を示すことはなく、すなわち、半導体層102と波長変換素子103との界面に垂直な面は母材基板106の基板面にはなりえない。例えば、不純物高濃度領域103a、不純物低濃度領域103bの順に積層されている場合、不純物高濃度領域103aが半導体層102の発する青色の光を全て吸収してしまう虞があり、光源100は不純物高濃度領域103aが発する赤色の光のみを放出することとなるからである。また、例えば、不純物低濃度領域103b、不純物高濃度領域103aの順に積層されている場合、不純物低濃度領域103bが半導体層102の発する青色の光を全て吸収してしまう虞があるとともに、不純物低濃度領域103bが発する緑色の光を不純物高濃度領域103aが吸収してしまう虞があり、光源100はどんな光も放出しないこととなるためである。いずれにしろ、母材基板106の基板面が半導体層102と波長変換素子103との界面に垂直な面である場合には、光源100は光源として作用しないこととなるため、半導体層102と波長変換素子103との界面に垂直な面は母材基板106の基板面にはなりえない。
Here, the substrate surface of the
なお、図1に示す波長変換素子103はハッチングを施しているが、不純物高濃度領域103aと不純物低濃度領域103bとの相違を図面において明確にするために施したハッチングであって、断面を表すためのハッチングではない。
Although the
電極104,105は、ステム101を介して外部電圧を半導体層102に印加している。
The
次に、光源100の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2(a)に示すように、波長変換素子103となるサファイア製の母材基板106を用意し、母材基板106の表面の右半分にマスク161bを形成する。ここで、マスク161bは、レジスト膜、またはSiO2、SiNxなどの保護膜により形成されている。
First, as shown in FIG. 2A, a sapphire
次に、図2(b)に示すように、母材基板106に不純物151であるSiイオンをイオン注入法により混入させる。その後、マスク161bを取り外す。このとき、イオン注入の加速電圧は50keV以上200keV以下であり、イオン注入量は1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下である。ここで、マスク161bを形成すると、表面にマスク161bが形成された部分の母材基板には不純物151は混入しないため、不純物151は、表面にマスク161bが形成されていない部分の母材基板106に注入されることとなる。すなわち、図2(c)に示すように、不純物151が母材基板106の左半分に混入することとなり、その結果、不純物高濃度領域103aが形成される。
Next, as shown in FIG. 2B, Si ions, which are
続いて、上記2工程とマスクを形成する場所及びイオン注入量が異なるイオン注入工程を行う。すなわち、図2(d)に示すように、上記工程においてマスク161bが形成されなかった母材基板106の表面、すなわち母材基板106の左半分にマスク161aを形成する。そして、母材基板106に不純物であるSiイオン151をイオン注入法により混入させる。その後、マスク161aを除去する。このとき、Siイオンのイオン注入の加速電圧は50keV以上200keV以下である。また、Siイオンのイオン注入量は1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下であり、上記の工程におけるイオン注入量よりも少ない。ここで、マスク161aを形成すると表面にマスク161aが形成された部分の母材基板には不純物151は混入しないため、不純物151は、表面にマスク161aが形成されていない部分の母材基板106にのみ注入され、この工程におけるイオン注入量が上記の工程におけるイオン注入量よりも少ないため、この工程において母材基板106の右半分に不純物低濃度領域103bが形成されることとなる。
Subsequently, an ion implantation process is performed in which the above-described two processes are different from the mask formation location and ion implantation amount. That is, as shown in FIG. 2D, the
続いて、不純物高濃度領域103a及び不純物低濃度領域103bが形成された母材基板に対して、700℃以上、30分間、窒素雰囲気中で熱アニール処理を行う。これにより、不純物高濃度領域103a及び不純物低濃度領域103bに混入した不純物151の直径は1nm以上10nm以下となる。そして、図2(e)に示す母材基板106の右半分に不純物高濃度領域103aが形成され、左半分に不純物低濃度領域103bが形成された波長変換素子103を製造することができる。
Subsequently, thermal annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. or higher for 30 minutes on the base material substrate on which the high
更に、波長変換素子103よりも表面の面積が大きく、且つBxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される半導体層を含む半導体層102を用意し、半導体層102の表面に波長変換素子103を戴置し、紫外線硬化樹脂(不図示)などを用いて固定する。これにより、図3に示すように、半導体層102の表面の一部に波長変換素子103が設けられる。そして、半導体層102の表面のうち波長変換素子103が戴置されている表面に対向する表面と扁平円柱状のステム101の表面とを接着する。これにより、ステム101の表面に半導体層102が形成され、半導体層102の表面の一部に波長変換素子103が形成されることとなる。
Furthermore, large areas of the surface than the
その後、半導体層102及び波長変換素子103が接着されていない側のステム101の表面に、電極104,105を設ける。これにより、図1に示す光源100を製造することができる。以上より、本発明における光源100は、製造するさい、従来の多色発光素子のように3種類の発光ダイオード(以下、「LED」という。)を用意する必要はないため、低コストで製造することができる。また、ステム101に対して半導体層102を接着すればよく更に半導体層102の表面の一部に波長変換素子103を戴置すればよいため、特許文献1に記載されているフルカラーLED400のようにステム408に対して4つのLEDチップ401,401,402,403を接着、固定する必要はなく、容易に製造することができ、実装時において高い製造歩留まりを得ることができる。
Thereafter,
ここで、図3に示す半導体層102及び波長変換素子103の拡大図において、波長変換素子103に対してハッチングを施しているが、図1の場合と同様、不純物高濃度領域103aと不純物低濃度領域103bとの相違を図面において明確にするために施したハッチングであって、断面を表すためのハッチングではない。
Here, in the enlarged view of the
続いて、光源100が多色光を発するメカニズムを説明する。
Next, the mechanism by which the
半導体層102は、電極104,105を介して半導体層102に電圧を印加することにより青色の光(ピーク波長が470nm)を発する。そして、図1に示すように、波長変換素子103は半導体層102の表面の一部に形成されているため、半導体層102が発した青色の光の一部は光源100の外部へ放出され、残りの青色の光は波長変換素子103へ照射されることとなる。そして、波長変換素子103へ照射された青色の光は、波長変換素子103に含まれている不純物151を励起する。ここで、不純物151の濃度が異なると、波長変換素子103を形成しているサファイアの電子状態は異なるため、不純物高濃度領域103aが発する光の波長と不純物低濃度領域103bが発する光の波長とは異なることとなる。具体的には、光源100は、図4に示すように、半導体層102が発する青色の光(ピーク波長が470nm、図4の左端の破線のピーク)と、半導体層102が発する青色の光が照射されることにより不純物高濃度領域103aが発する赤色の光(ピーク波長が650nm、図4の右端の破線のピーク)と、不純物低濃度領域103bが発する緑色の光(ピーク波長が550nm、図4の中央の破線のピーク)で構成されるトータルとして白色を呈する光を発する。
The
以下に、本実施形態の波長変換素子103、光源100及び光源100の製造方法が奏する効果を示す。
Below, the effect which the
本実施形態における光源100は、半導体層102が青色の光を発し、その青色の光を照射することにより波長変換素子103が赤色及び緑色の光を発する。従って、光源100を製造するためには、半導体層102と波長変換素子103とを用意すればよく、従来の多色発光素子を製造するときのように、赤、青及び緑色の光を発する3種のLEDチップを用意する必要はない。その結果、光源100を低コストで製造することができる。
In the
また、従来の多色発光素子では、青色LEDチップが発した青色の光が赤色LEDチップ及び緑色LEDチップに吸収されないように、また、緑色LEDチップが発した緑色の光が赤色LEDチップに吸収されないように、赤色LEDチップ、青色LEDチップ及び緑色LEDチップの位置関係に留意しながらステム上に実装しなければならなかった。そのため、ステムへの実装が困難を要するとともに多色発光素子の製造歩留まりは良くなかった。しかし、本実施形態における光源100では、半導体層102が青色の光を発し、その青色の光の一部は光源100が発する光の一部となる。そして、残りの青色の光は、波長変換素子103へ照射され、波長変換素子103中の不純物151に吸収され、それにより赤色及び緑色の光を発する。そのため、本発明の光源100を製造するためには、ステム101上に半導体層102を接着し、その半導体層102の表面の一部に波長変換素子103を戴置すればよい。従って、半導体層102と波長変換素子103との位置関係に留意しながらステム上に戴置する必要はなく、非常に容易に製造することができるとともに、光源100の製造歩留まりは良い。
In the conventional multicolor light emitting device, the blue light emitted from the blue LED chip is not absorbed by the red LED chip and the green LED chip, and the green light emitted by the green LED chip is absorbed by the red LED chip. In order to avoid this, it was necessary to mount on the stem while paying attention to the positional relationship between the red LED chip, the blue LED chip, and the green LED chip. Therefore, it is difficult to mount on the stem, and the production yield of the multicolor light emitting elements is not good. However, in the
そのうえ、光源100が発する光の波長を変えるためには、波長変換素子103における不純物151の濃度を変えればよく、従って、波長変換素子103に対して注入するイオンの濃度を変えればよいため、容易に光の波長を変えることができることとなる。さらに、半導体層102に電圧を印可すれば、光源100は、赤色、青色及び緑色の光を発するため、従来の多色発光素子のようにLEDチップの裏面に対してエッチングを行うことにより電極を設ける必要はなく、更に電極を4本設ける必要もない。よって、製造する手間が省ける。
In addition, in order to change the wavelength of light emitted from the
なお、本実施形態の光源100の製造方法において、波長変換素子103に対してイオン注入法を用いて不純物151を混入させるとしたが、この方法はこれに限定されない。不純物高濃度領域103aが赤色の光を発し、不純物低濃度領域103bが緑色の光を発するように、波長変換素子103に不純物151を混入させることができる方法であれば代用することができる。また、本実施形態の光源100の製造方法において、まず、不純物高濃度領域103aを形成後、不純物低濃度領域103bを形成するとしたが、順序はこれに限定されることはなく、先に不純物低濃度領域103bを形成してもよい。
In the manufacturing method of the
また、本実施形態の波長変換素子103は、不純物高濃度領域103aと不純物低濃度領域103bとで形成されているとしたが、不純物151の濃度が異なる領域が3個以上あってもよい。
Further, although the
また、本実施形態の波長変換素子103は、サファイアにより形成されているとしたが、スピネルにより形成されていてもよい。
Moreover, although the
《実施形態2》
以下、実施形態2について図5を参照しながら説明する。
<< Embodiment 2 >>
Hereinafter, Embodiment 2 will be described with reference to FIG.
本実施形態における光源200は、半導体層202を形成している半導体層の組成と波長変換素子203を形成している母材基板の材質のみを異にする。すなわち、光源200は、図5に示すようにステム101と、ステム101の表面に設けられている半導体層202と、半導体層202の表面の一部に形成されている波長変換素子203と、半導体層202が形成されていない側のステム101の表面に設けられている2本の電極104,105と、を備えている。半導体層202は、ZnxCd1-xSySe1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるII−VI族半導体化合物層を少なくとも一層含み、GaAs基板(図示せず)上に形成され、表裏に電極が形成されている(図示せず)。なお、GaAs基板はステム101の表面側に配置されている。そして、波長変換素子203は、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からなり、GaAs基板が設けられている側とは反対側の半導体層202の面に貼り合わせにより設けられている。以上の2点のみが上記実施形態1と本実施形態とで異なる点であり、それ以外の点、すなわち、光源200を構成している構成要素(ステム101、電極104、105)の組成及び機能、光源200の製造方法並びに光源200が光を発するメカニズムは、上記実施形態1において記載した事項と同一である。そして、本実施形態の波長変換素子203、光源200及び光源200の製造方法が奏する効果は、上記実施形態1の波長変換素子103、光源100及び光源100の製造方法が奏する効果と同一である。
In the
《実施形態3》
以下、実施形態3について図6、7を参照しながら説明する。
<< Embodiment 3 >>
Hereinafter, Embodiment 3 will be described with reference to FIGS.
本実施形態では、光源300の構造、光源300の製造方法及び光源300が複数の色の光を発するメカニズムを説明する。なお、図6は本実施形態における光源300の模式図であり、図7は光源300の製造方法を説明するための図、であり、図6、7において上記実施形態1と同一の物質及び機能を示す部分には図1、2、3と同一の符号を付している。
In this embodiment, the structure of the
本実施形態における光源300の波長変換素子303は、上記実施形態1における光源100の波長変換素子103とは異なり可視光線を透過することができる。それ以外の点については、上記実施形態1と同一である。従って、上記実施形態1と重複する部分については、詳細な説明を省略する。
Unlike the
図6に示すように、光源300は、ステム101と、ステム101の表面に設けられている半導体層302と、半導体層302の表面に形成されている波長変換素子303と、半導体層302が形成されていない側のステム101の表面に設けられている2本の電極104,105と、を備えている。
As shown in FIG. 6, the
半導体層302は、一般式がBxGa1-x-y-zAlyInxN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表されるIII族化合物半導体層を少なくとも一層含み、電極104,105を介して外部電源から電圧が印加されることにより青色の光を発する。
The
波長変換素子303は、サファイアからなる母材基板306からなり、可視光線を透過させる。そして、不純物151を含み、母材基板306の基板面内において、不純物高濃度領域303aと不純物低濃度領域303bとを備えている。具体的には、不純物高濃度領域303aにおける不純物の濃度は1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下であり、不純物低濃度領域303bにおける不純物の濃度は1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下である。そして、半導体層302が発した青色の光が照射されることにより、不純物高濃度領域303aは赤色の光を発し、不純物低濃度領域303bは緑色の光を発する。ここで、母材基板306の基板面は、上記実施形態1における母材基板106の基板面内と同様、半導体層302と波長変換素子303との界面に平行な面である。
The
次に、光源300の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図7(a)に示すように、波長変換素子303となるサファイア製の母材基板306を用意し、母材基板306の表面の右半分にマスク161bを形成する。
First, as shown in FIG. 7A, a sapphire
次に、図7(b)に示すように、母材基板306に不純物151であるSiイオンをイオン注入法により混入させる。その後、マスク161bを取り外す。このとき、イオン注入の加速電圧は50keV以上200keV以下であり、イオン注入量は1×1017cm-2以上3×1017cm-2以下である。ここで、マスク161bを形成すると、表面にマスク161bが形成された部分の母材基板306には不純物151は混入しないため、不純物151は、表面にマスク161bが形成されていない部分の母材基板306に注入されることとなり、図7(c)に示すように、母材基板306の左半分に不純物高濃度領域303aが形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, Si ions, which are
続いて、マスク161bを取り外し、上記2工程においてマスク161bが形成されなかった母材の表面、すなわち母材の左半分にマスク161aを形成する。
Subsequently, the
続いて、図7(d)に示すように、上記2工程においてマスク161bが形成されなかった母材基板306の表面、すなわち母材基板306の左半分にマスク161aを形成する。そして、母材基板306に不純物であるSiイオン151をイオン注入法により混入させる。その後、マスク161aを除去する。このとき、Siイオンのイオン注入の加速電圧は50keV以上200keV以下である。また、Siイオンのイオン注入量は1×1016cm-2以上3×1016cm-2以下であり、上記の工程におけるイオン注入量よりも少ない。ここで、マスク161aを形成すると、表面にマスク161aが形成された部分の母材基板306には不純物151は混入しないため、不純物151は、表面にマスク161bが形成されていない部分の母材基板306に注入されることとなり、この工程において母材基板306の右半分に不純物低濃度領域303bが形成されることとなる。
Subsequently, as shown in FIG. 7D, a
そして、不純物高濃度領域303a及び不純物低濃度領域303bが形成された母材基板に対して、700℃以上、30分間、窒素雰囲気中で熱アニール処理を行う。これにより、図7(e)に示す母材基板306の右半分に不純物高濃度領域303aが形成され、左半分に不純物低濃度領域303bが形成された波長変換素子303を製造することができる。
Then, thermal annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. or higher for 30 minutes on the base material substrate on which the high
更に、波長変換素子303の表面に、波長変換素子303を母材基板とし、BxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される半導体層を含む半導体層をエピタキシャル成長させることにより、半導体層302を形成する。そして、半導体層302の表面のうち波長変換素子303が戴置されている表面に対向する表面と扁平円柱状のステム101の表面とを接着する。これにより、ステム101の表面に半導体層302が形成され、半導体層302の表面に波長変換素子303が形成されることとなる。
Further, the surface of the
その後、半導体層302及び波長変換素子303が接着されていない側のステム101の表面に、電極104,105を設ける。これにより、図6に示す光源300を製造することができる。以上より、本実施形態における光源300は、半導体層302と波長変換素子303とを接着する必要はないため、上記実施形態1における光源100に比べ、更に容易に製造することができるとともに製造歩留まりは良くなる。
Thereafter,
続いて、光源300が多色光を発するメカニズムを説明する。
Next, the mechanism by which the
赤色の光及び緑色の光を発するメカニズムは、上記実施形態1における光源100が赤色の光及び緑色の光を発するメカニズムと同一である。そして、青色の光を発するメカニズムも上記実施形態1と本実施形態とでは同一である。しかし、本実施形態における波長変換素子303は、可視光線を透過させることができるため、半導体層302の表面の全体に波長変換素子303を形成しても、青色の光は波長変換素子303に照射されることとなり、光源300は図4に示すような白色光を発する。
The mechanism for emitting red light and green light is the same as the mechanism for causing the
本実施形態の波長変換素子303、光源300及び光源300の製造方法が奏する効果は、上記実施形態1の波長変換素子103、光源100及び光源100の製造方法が奏する効果に付け加え、以下に示す効果を奏する。すなわち、本実施形態における光源300は、波長変換素子303を母材基板とし、波長変換素子303の表面に半導体層302を結晶成長させることにより製造される。従って、上記実施形態1における光源100と異なり、半導体層302と波長変換素子303とを接着剤などを用いて接着、固定させる必要はない。そのため、上記実施形態1に比べ容易に製造することができるとともに、製造歩留まりも良くなる、という効果を奏する。
The effects exhibited by the
なお、本実施形態においては、半導体層302は、ZnxCd1-xSySe1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるII−VI族半導体化合物層を少なくとも一層含んでいてもよい。また、波長変換素子303はスピネルにより形成されていてもよい。
In the present embodiment, the
《その他の実施形態》
上記実施形態1の光源100においては、半導体層102がBxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表されるIII族化合物半導体層を少なくとも一層含み、波長変換素子103がサファイアからなるとし、上記実施形態2の光源200においては、半導体層202がZnxCd1-xSySe1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるII−VI族半導体化合物層を少なくとも一層含み、波長変換素子203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からなるとしたが、半導体層の組成と波長変換素子の材質との組み合わせはこれらに限定されない。半導体層がBxGa1-x-y-zAlyInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表されるIII族化合物半導体層を少なくとも一層含み、波長変換素子が石英ガラス、硼硅酸ガラスまたは二酸化珪素を主成分とするガラスにより形成されていてもよく、また、逆に、半導体層がZnxCd1-xSySe1-y(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるII−VI族半導体化合物層を少なくとも一層含み、波長変換素子がサファイアまたはスピネルから形成されていてもよい。
<< Other Embodiments >>
In the
本発明の波長変換素子は、特に白色光源や2色以上の光を混色する多色光源などに利用される波長変換素子として有用である。また、本発明の光源は、特に白色光源や2色以上の光を混色する多色光源などとして有用であり、光源の製造方法は、特に白色光源や2色以上の光を混色する多色光源などを製造する方法として有用である。 The wavelength conversion element of the present invention is particularly useful as a wavelength conversion element used for a white light source or a multicolor light source that mixes two or more colors of light. The light source of the present invention is particularly useful as a white light source or a multicolor light source that mixes two or more colors of light, and the light source manufacturing method is particularly a white light source or a multicolor light source that mixes two or more colors of light. It is useful as a method for producing the above.
100、200、300 光源
102、202、302 半導体層
103、203、303 波長変換素子
104、105、404、405、406、407 電極
106、306 母材基板
151 不純物
161a、161b マスク
100, 200, 300
Claims (26)
前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する、請求項1に記載の波長変換素子。 In the substrate surface of the base material substrate, comprising a plurality of regions having different impurity concentrations,
The wavelength conversion element according to claim 1, wherein the regions having different impurity concentrations emit light having different wavelengths when irradiated with the visible light.
前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発する、請求項1から7のいずれか一つに記載の波長変換素子。 The visible light is blue light,
The wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 7, which emits red and green light when irradiated with the blue light.
前記半導体層の表面の一部に設けられた波長変換素子と、
前記半導体層に対して電圧を印加する電極と、
を備える光源であって、
前記半導体層は、前記電極を介して前記電圧が印加されることにより前記可視光線を発し、
前記波長変換素子は、不純物を含有する母材基板からなり、前記可視光線が照射されることにより当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源。 A semiconductor layer emitting visible light;
A wavelength conversion element provided on a part of the surface of the semiconductor layer;
An electrode for applying a voltage to the semiconductor layer;
A light source comprising:
The semiconductor layer emits the visible light when the voltage is applied through the electrode,
The said wavelength conversion element consists of a base material substrate containing an impurity, and emits light having a wavelength different from that of the visible light when irradiated with the visible light.
前記可視光線が照射されることにより、前記不純物の濃度が異なる領域は、それぞれ異なる波長を有する光を発する、請求項9に記載の光源。 The wavelength conversion element includes a plurality of regions having different impurity concentrations in the substrate surface of the base material substrate,
The light source according to claim 9, wherein the regions having different impurity concentrations emit light having different wavelengths when irradiated with the visible light.
前記波長変換素子は、前記青色の光が照射されることにより、赤色及び緑色の光を発する、請求項9から16のいずれか一つに記載の光源。 The visible light is blue light,
The light source according to claim 9, wherein the wavelength conversion element emits red and green light when irradiated with the blue light.
前記母材基板を半導体層の表面の一部に戴置する工程と、
前記半導体層の前記母材基板が形成されている側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、
を含み、
前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、
前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源の製造方法。 Mixing impurities into the base material substrate;
Placing the base material substrate on part of the surface of the semiconductor layer;
Providing an electrode on the surface of the semiconductor layer opposite to the side on which the base material substrate is formed;
Including
The semiconductor layer emits visible light when a voltage is applied through the electrode,
The base material substrate containing the impurity emits light having a wavelength different from the wavelength of the visible light when irradiated with the visible light.
前記母材基板に不純物を混入させる工程と、
前記半導体層の前記母材基板が存する側とは反対側の表面に電極を設ける工程と、
を含み、
前記半導体層は、前記電極を介して電圧が印加されることにより可視光線を発し、
前記不純物を含有する母材基板は、前記可視光線が照射されることにより、当該可視光線が有する波長とは異なる波長を有する光を発する、光源の製造方法。 Forming a semiconductor layer on the surface of the base material substrate;
Mixing impurities into the base material substrate;
Providing an electrode on the surface of the semiconductor layer opposite to the side on which the base material substrate exists;
Including
The semiconductor layer emits visible light when a voltage is applied through the electrode,
The base material substrate containing the impurity emits light having a wavelength different from the wavelength of the visible light when irradiated with the visible light.
前記母材基板の前記基板面の一部と異なる基板面の部分において、前記所定の不純物の濃度を有する領域における不純物の濃度と異なる不純物の濃度を有する領域を形成する工程と、
を含む、請求項18から20のいずれか一つに記載の光源の製造方法。 The step of mixing impurities into the base material substrate includes a step of forming a region having a predetermined impurity concentration in a part of the substrate surface of the base material substrate;
Forming a region having an impurity concentration different from the impurity concentration in the region having the predetermined impurity concentration in a portion of the substrate surface different from a part of the substrate surface of the base material substrate;
The method of manufacturing a light source according to claim 18, comprising:
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