JP2006108673A - 多重発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多層発光ダイオード装置において、より良好な演色評価数を有する多層発光ダイオード装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも１つの半導体のもとで、活性ゾーンの発光波長が所定の形式で変化し、それによって当該半導体から発せられる光のスペクトル帯域幅が高められるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体を有しており、前記複数の半導体は、それぞれ１つの活性ゾーンを有し、作動中にそれぞれ異なる中心波長と対応するスペクトル帯域幅の光を発光する、ビーム発光型半導体素子に関している。なお本願は、独国特許出願 DE-10 2004 407 763.9-33 明細書の優先権を主張して出願されるものである。

この種の公知の多層発光ダイオード装置では、複数の半導体が共通のケーシング内に設けられている。これらの半導体は、動作中に異なる波長の光、例えば赤、緑、黄色のスペクトル領域の光を発光しており、そのためそれらの構成素子全体では、混合色の光若しくは白色の光を放射する。生成される光の色度は個々の半導体適切な駆動制御によって可変である。それに対して白色光の生成には、白色領域内にある色度が選択される。この白色領域は、ＣＩＥ表色系においていわゆる色度ｘ＝ｙ＝０.３３を有するいわゆる白色点を取り囲む。

従来の白色光源、例えば白熱燈又は放電ランプでは、とりわけ色温度と演色評価数が発光技術のパラメータとして特徴付けられている。

色温度は、黒体放射の温度であり、その色度が特徴付けるべき白色光源の色度に対応付けられている（最も類似した色温度ないし相関色温度、ＣＣＴ）。

演色評価数とは、特徴付けるべき光源による照明のもとで所定の色検査テーブルからの平均的な色偏差が、所定の標準光源による照明と比べてどの位になっているかを表すものである。最大の演色評価数は１００であり、これは色偏差が何も現れていない光源に相応する。演色評価数の測定と確定に対するさらなる情報は、ＤＩＮ６１６９に提示されている。

色温度は、白色光源の色度に対する黒体放射に関連した尺度であり、それに対して演色評価数では、光源の品質が当該光源による照明のもとで、ある対象のできるだけ純粋な色印象を考慮して表されている。

冒頭に述べた公知の多層発光ダイオード装置では、色温度は所定の境界において個々の半導体の適切な駆動制御を用いた相応の色度設定によって調整可能である。それに対して演色評価数は、通常は半導体の構造化と材料によって固定的に設定される。典型的にはこの演色評価数は、４５〜５５の範囲にある。それに比べて従来の白熱ランプは、９８以上の演色評価数を有する。

本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の多層発光ダイオード装置において、より良好な演色評価数を有する多層発光ダイオード装置を提供することである。

前記課題は本発明により、前記半導体のうちの少なくとも１つの半導体のもとで、活性ゾーンの発光波長が所定の形式で変化し、それによって当該半導体から発せられる光のスペクトル帯域幅が高められるように構成することによって解決される。

本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、ビーム発光型半導体素子が複数の半導体を備え、前記複数の半導体は、それぞれ１つの活性ゾーンを有し、作動中にそれぞれ異なる中心波長と対応するスペクトル帯域幅の光を発光し、この場合前記半導体のうちの少なくとも１つの半導体のもとで、活性ゾーンの発光波長が所定の形式で変化し、それによって当該半導体から発せられる光のスペクトル帯域幅が高められる。有利には、半導体から発せられた光の混合によって白色光の印象が得られる。この中心波長はピーク波長とも称される。スペクトル帯域幅とはスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ；Full Width Half Maximum）と理解されたい。

この場合本発明は次のような考察に基づいている。すなわち冒頭に述べた多層発光ダイオード装置においては個々の半導体が比較的僅かなスペクトル帯域幅を有する光を発し、それによって構成素子の全ての発光スペクトルが多数の個々のスペクトルラインを有していることに基づいている。それとは逆に白熱ランプは、広幅な連続スペクトルを示す。それ故に多層発光ダイオード装置の演色性を改善するために、本発明の枠内では多層発光ダイオード装置の発光スペクトルを白熱ランプの発光スペクトルに近似させるべく個々の半導体から発せられる光のスペクトル帯域幅が高められる。この場合本発明の枠内では、スペクトル帯域幅の比較的僅かな上昇が既に少なくとも１つの半導体のもとで演色評価数の著しい増加に結び付けられる。

本発明の有利な構成によれば、半導体素子から総合的に発せられるビームが複数の半導体から発せられる光からなり、それによって特にスペクトル拡幅をもたらすさらなるエミッタ、例えば蛍光体は何も設けられない。このケースでは、少なくとも１つの半導体から発せられる光の帯域幅の拡張は有利である。なぜなら複数の半導体を用いるだけで、白熱ランプの発光スペクトルへの近似ないしは演色評価数の改善が達成されるからである。

代替え的に本発明の別の構成例によれば、半導体の１つ、複数若しくは全ての半導体に発光変換素子が、（例えば発光体粒子の形態でマトリックス材料内に分散可能な）何らかの発光体の形態で放射方向に後置接続される。この発光変換素子は、１つの半導体ないし複数の半導体から生成された光を他の波長の光に変換している。これにより場合によっては発光スペクトルの、白熱ランプの発光スペクトルへの近似がさらに改善されるか若しくは十分に改善された演色評価数が得られる。

本発明の別の有利な構成によれば、少なくとも１つの半導体の活性ゾーンが次のように形成される。すなわちこの活性ゾーンの発光波長が垂直方向で増減するように形成される。

本発明の第１の有利な変化例によれば、このことは次のことによって達成される。すなわち活性ゾーンが量子エネルギの異なる複数の量子井戸を備えた多重量子井戸構造を含むことによって達成される。これによって個々の量子井戸は、簡単に異なる中心波長の光を放ち、そのためこの多重量子井戸構造が総合的に高められたスペクトル帯域幅の光を生成し得る。

本発明では量子井戸構造とは次のような全ての構造部を意味する。すなわちその電荷担体が閉込め（confinement）によってエネルギ状態の量子化を被る構造部全てである。特にここでの量子井戸構造は、量子化の次元に関する情報は含まれない。従ってここでは量子井戸のみならず、量子桶（Quantentroege）、量子線（Quantendraehte）、量子点（Quantenpunkte）並びにこれらの構造のあらゆる組合わせが含まれる。

本発明の第２の有利な変化例によれば、活性ゾーンが次のような半導体材料を含んでいる。すなわちその組成が活性ゾーン内で垂直方向で所定の形式で変化している半導体材料を含んでいる。このいわゆる組成勾配は、次のように実施される。すなわち、垂直方向で半導体材料のバンド間隔を変化（増減）させ、それによって垂直方向の発光波長が相応に変化して結果的に発せられる光のスペクトル帯域幅が総合的に高められるように実施される。この変化例の半導体材料としては、特にＩｎＧａＡｌＰが適している。なぜならばこの四元性の半導体材料系のもとでは、波長がグリッド定数に依存することなく所定の限界内で調整可能であり、それと共に組成勾配も欠陥格子の適応化なしで形成できるからである。

本発明の第３の変化例によれば、活性ゾーンが異なる発光波長の複数の活性層、例えばそれぞれ１つの相応の量子井戸構造を含み得る。この場合合目的的には、発光波長の差は次のように僅かである。すなわちすなわちスペクトルが当該半導体によって総合的にみて実質的に唯１つの拡幅された発光ラインを有し、局所的な複数の極大値を持たないように僅かである。

なお前述の変化例は、それらの組合わせも可能であることを述べておく。例えば多重の量子井戸構造の形態で垂直方向に半導体材料の組成及び／又は量子井戸の寸法が変化していてもよい。

有利には、本発明によれば、少なくとも１つの半導体が垂直方向で活性ゾーンに後置接続された出力結合面を有する。この場合活性ゾーン内の発光波長は、この出力結合面の方向に向けて低減している。これにより、波長の短いビームが出力結合面に向いた側で生成され、それによって活性ゾーン内で生成されたビームの再吸収が低減される。

本発明の第１の有利な実施形態によれば、複数の半導体が赤色のスペクトル領域で発光する第１の半導体と、緑色のスペクトル領域で発光する第２の半導体と、青色のスペクトル領域で発光する第３の半導体を含んでいる。この場合第１、第２、第３の半導体から発せられる光の混合によって、白色光の印象が得られる。

本発明の第２の有利な実施形態のもとで代替的に複数の半導体が、黄色若しくはオレンジ色のスペクトル領域で発光する第１の半導体と、青色若しくは青緑色のスペクトル領域で発光する第２の半導体を含んでいる。この場合第１及び第２の半導体から発せられる光の混合によって白色光の印象が得られる。

前記第１の実施形態は次のような利点を有している。すなわち色度ないしは色温度が前述の半導体の適切な駆動制御によって比較的広い枠内で自由に設定できる。それに対して前記第２の実施形態では、半導体の数を有利に低減できる。

本発明によれば有利には、最大の中心波長を有する半導体のもとでスペクトル帯域幅が活性ゾーン内の発光波長の変化によって高められる。このことは、この半導体のもとでのみのスペクトル帯域幅の拡大が、演色評価数の著しい増加に結びつけられることによってなされる。通常この半導体は、黄色、橙色、赤色のスペクトル領域で発光し、そのため活性ゾーンに対して、前述した有利な材料系であるＩｎＧａＡｌＰからなる材料が適用可能である。

さらに有利には、本発明による多層発光ダイオード装置において、高められるスペクトル帯域幅は、３０ｎｍ以上であり、特に有利には４０ｎｍ以上である。一般的に本発明におけるスペクトル帯域幅の増大は、次のように定められる。すなわち素子から発せられる光の演色評価数が６０以上、有利には８０以上、特に有利には９０以上となるように定められる。

次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。なお図面中同じ構成要素若しくは同じ作用の構成要素には同じ符号が付せられている。

図１に示されている実施例は、第１の半導体１０と、第２の半導体２０と、第３の半導体３０を有している。これらの半導体１０，２０，３０は、それぞれ基板フレーム５０のチップ取付け領域１２，２２，３２にそれぞれ取付けられている。基板フレーム５０は、図１中に断面で表されているケーシング基体４０を用いて固定されている。

基板フレーム５０とは反対側に、これらの半導体１０，２０，３０は、それぞれコンタクト金属化層１５，２５，３５を備えている。これらの金属化層からは、それぞれ１つのワイヤ接続線１４，２４，３４が基板フレーム５０のワイヤ端子１３，２３，３３に導かれている。

半導体１０は、作動中に、λ_１０の中心波長とΔλ_１０のスペクトル帯域幅を有する光を発光し、半導体２０は、作動中に、λ_２０の中心波長とΔλ_２０のスペクトル帯域幅を有する光を発光し、半導体３０は、作動中に、λ_３０の中心波長とΔλ_３０のスペクトル帯域幅を有する光を発光する。中心波長λ_１０は、例えば赤色のスペクトル領域、約６２０ｎｍにあり、中心波長λ_２０は、緑色のスペクトル領域、約５３０ｎｍにあり、中心波長λ_３０は、青色のスペクトル領域、約４７０ｎｍにあってもよい。

また本発明の第２の実施形態では、図１に例示的に示されている３つの半導体の代わりに２つの半導体が設けられ、それらの一方は、例えば青色のスペクトル領域、約４７０ｎｍの光を発光し、もう一方は例えばオレンジのスペクトル領域、約５９０ｎｍの光を発光し得る。

図２には、図１に示された実施例に対する３つの半導体１０，２０，３０の発光スペクトルが概略的に表されている。ここでは発光された光の相対的強度が波長に依存して表されている。

半導体２０ないし３０から発せられた、中心波長λ_２０でスペクトル帯域幅Δλ_２０の光のスペクトルないしは中心波長λ_３０でスペクトル帯域幅Δλ_３０の光のスペクトルと異なって、半導体１０から発せられた、中心波長λ_１０でスペクトル帯域幅Δλ_１０の光のスペクトルは、異なる中心波長λ_１１，λ_１２，λ_１３の複数のスペクトル線からなっている。これらのスペクトル線は、半導体１０の活性ゾーン１１における発光波長が図１中に矢印ｚで表されている垂直なｚ方向で変化していることによって生じている。このことは以下の明細書でさらに図３に基づいて詳細に説明する。

総合的に半導体１０から発せられた光は、異なる発光波長λ_１１，λ_１２，λ_１３の個々のスペクトル線の総和によって形成される。この場合スペクトル帯域幅Δλ_１０の上昇は、活性ゾーン１１における発光波長の変化の大きさにおいて定められる。

図示の実施例においては、スペクトル帯域幅Δλ_１０は約２０ｎｍであり、スペクトル帯域幅Δλ_２０は約３５ｎｍであり、スペクトル帯域幅Δλ_３０は約２０ｎｍである。この結果から多層発光ダイオード装置の適切な駆動制御のもとで演色評価数６３の白色光源が得られる。従来方式では、最も長波な光を発する半導体１０の線幅は小さく、約１５ｎｍであり、それによって著しく低い演色評価数（＝約５０）しか得られなかった。

スペクトル帯域幅Δλ_１０，Δλ_２０，Δλ_３０並びに演色評価数（ＣＲＩ；Color Rendering Index）は、最長波な光を発する半導体のそれぞれ異なるスペクトル帯域幅を有する３つの変化実施例Ａ，Ｂ，Ｃ毎に以下のテーブルにまとめられている。なお比較のために従来方式の多層発光ダイオード装置の相応のデータも表示されている。所属の中心波長λ_１０，λ_２０，λ_３０は、既に前述したようにそれぞれ６２０ｎｍ、５３０ｎｍ、４７０ｎｍである。

この表からは、既に本発明の枠内において、最長波な光を発する半導体のスペクトル帯域幅の高まりと共に著しく高められた演色評価数の得られることが示されている。

２つの半導体を有する本発明の第２の実施形態に対しては、以下のテーブルにおいて相応のスペクトル帯域幅と演色評価数が、最長波な光を発する半導体の異なるスペクトル帯域幅を有する３つの変化例Ａ，Ｂ，Ｃ毎に表されており、ここでも比較のために従来方式の多層発光ダイオード装置の相応のデータがあわせて表示されている。ここでの所属の中心波長λ_１０とλ_２０は、既に前述したように５９０ｎｍないし４７０ｎｍである。

この表からも既に本発明において、最長波な光を発する半導体のスペクトル帯域幅の上昇と共に著しく高められた演色評価数の得られることが示されている。

図３には、半導体１０の例示的なバンド構造が概略的に示されている。

ここでは半導体１０の活性ゾーン１１が多層量子井戸構造として構成されている。この図３には、出力バンドＣＢ及び価電子帯ＶＢ毎にｚ方向でのそれぞれのエネルギレベルの経過がプロットされている。

このバンド構造は複数の量子井戸を有しており、この場合それらの量子井戸の幅は、ｚ方向の増加と共に低減している。量子エネルギの量子井戸拡張への依存性に基づいて、ｚ方向の増加と共に個々の量子井戸の量子エネルギが増加している。それに応じて、左方に示されている量子エネルギΔＥ_１３の量子井戸は、ｚ方向の増加に伴って後続する量子エネルギΔＥ_１２ないしΔＥ_１１の量子井戸よりも長波なビームを発している。

活性ゾーンの放射光の発光波長の類似の変化例は、本発明のもとでは次のことによっても達成可能である。すなわち活性ゾーンの半導体材料の組成を所定の形式で変化させ、活性ゾーン内のバンド間隔を有利には垂直方向で変化させるようにしてもよい。このような、組成勾配とも称される変化例は、前述した量子井戸構造と組み合わせることも可能であり、それによって、例えば活性ゾーン内の半導体材料のディメンション及び／又は組成が変化する量子井戸構造が形成される。

有利には、図１並びに図３に示されているように発光波長λ_１１，λ_１２，λ_１３の変化は、出力結合面６０方向での発光波長の低減によって実施されてもよい。特に図３から明らかなように、これによって活性ゾーン内の発せられた光の再吸収が有利に低減される。そのため例えば最も低い量子エネルギΔＥ_１３を有する量子井戸から発せられる光が、ｚ方向に成長する、すなわち出力結合面の方向に後続している量子井戸によって全く吸収されないか若しくは極僅かな規模でしか吸収されない。なぜならそれらの量子エネルギΔＥ_１１ないしΔＥ_１３がこの光のエネルギよりも大きいからである。

図４Ａには、本発明による多層発光ダイオード装置の実施例が平面図で表されており、図４Ｂには、所属の側面図が示されている。

半導体１０，２０，３０は、共通のケーシング基体４０の切欠き７０内に配設されている。この切欠き７０の側壁８０は、反射器の形式に従って斜めに配設されており、それによって当該構成素子の光の収益を増やしている。

半導体１０，２０，３０に対応付けられているチップとワイヤ端子領域（図示せず）は、端子Ａ１０，Ｃ１０，Ａ２０，Ｃ２０，Ａ３０，Ｃ３０としてケーシング基体４０から引き出され、表面実装素子の形式で取付け側まで延在している。

本発明は、実施例に基づいた当該明細書の説明に限定されるものではない。特に本発明においては、複数の若しくは全ての半導体が相応に高められたスペクトル帯域幅を有し得る。さらに本発明は、前記実施例並びにそれらの説明中に述べてきた特徴部分のあらゆる組合わせが可能であり、特に請求の範囲に記述された特徴部分は、たとえそれらが請求の範囲や実施例中に明示的に述べられていないものであってもあらゆる組合わせが可能であることを述べておく。

本発明による実施例の詳細を概略的に表した図 本発明の実施例によって発せられる光のスペクトル組成をグラフィックに表した図 本発明による多層発光ダイオード装置の実施例の活性ゾーンの電子的なバンド構造をグラフィックに表した図 Ａ及びＢは、本発明による多層発光ダイオード装置実施例の概略的な平面図と側面図

符号の説明

１０ 第１の半導体
１１ 活性ゾーン
２０ 第２の半導体
２１ 活性ゾーン
３０ 第３の半導体
３１ 活性ゾーン
４０ ケーシング基体
５０ 基板フレーム

Claims (13)

1. 複数の半導体（１０，２０，３０）を有しており、
   前記複数の半導体は、それぞれ１つの活性ゾーン（１１，１２，１３）を有し、作動中にそれぞれ異なる中心波長（λ_１０，λ_２０，λ_３０）と対応するスペクトル帯域幅（Δλ_１０，Δλ_２０，Δλ_３０）の光を発光する、ビーム発光型半導体素子において、
   前記半導体のうちの少なくとも１つの半導体の（１０）もとで、活性ゾーン（１１）の発光波長（λ_１０）が所定の形式で変化し、それによって当該半導体（１０）から発せられる光のスペクトル帯域幅（Δλ_１０）が高められるように構成されていることを特徴とするビーム発光型半導体素子。
2. 少なくとも１つの半導体（１０）の活性ゾーン（１１）内部で発光波長（λ_１０）が垂直方向において増減している、請求項１記載のビーム発光型半導体素子。
3. 少なくとも１つの半導体（１０）の活性ゾーン（１１）は、量子エネルギの異なる複数の量子井戸を備えた量子井戸構造を有している、請求項１または２記載のビーム発光型半導体素子。
4. 少なくとも１つの半導体（１０）の活性ゾーン（１１）が、次のような半導体材料、すなわちその組成が活性ゾーン内で所定のように変化している半導体材料を含んでいる、請求項１から３いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
5. 前記活性ゾーン（１１）は、
   Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐを含んでおり、この場合０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１である、請求項４記載のビーム発光型半導体素子。
6. 少なくとも１つの半導体（１０）は、垂直方向で活性ゾーン（１１）に後置接続された出力結合面（６）を有しており、当該活性ゾーン（１１）内部の発光波長（λ_１０）は出力結合面（６）の方向で低減する、請求項１から５いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
7. 前記複数の半導体は、黄若しくはオレンジ色のスペクトル領域で発光する第１の半導体と、青若しくは青緑色のスペクトル領域で発光する第２の半導体を含んでいる、請求項１から６いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
8. 前記複数の半導体は、赤色のスペクトル領域で発光する第１の半導体と、緑色のスペクトル領域で発光する第２の半導体と、青色のスペクトル領域で発光する第３の半導体を含んでいる、請求項１から６いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
9. 最長の中心波長（λ_１０）を有する半導体（１０）は、活性ゾーン（１１）内の発光波長の変化によって高められるスペクトル帯域幅（Δλ_１０）を有している、請求項１から８いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
10. スペクトル帯域幅（Δλ_１０）が、最長の中心波長（λ_１０）を有する半導体（１０）のもとでのみの活性ゾーン（１１）内の発光波長の変化によって高められる、請求項９記載のビーム発光型半導体素子。
11. 少なくとも１つの半導体（１０）のスペクトル帯域幅（Δλ_１０）は、２０ｎｍ以上、有利には３０ｎｍ以上であり、特に有利には４０ｎｍ以上である、請求項１から１０いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
12. １つ若しくは複数の半導体（１０，２０，３０）のスペクトル帯域幅は、当該半導体素子から発せられる光の演色評価数が６０以上、有利には８０以上、特に有利には９０以上になるように高められる、請求項１から１１いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。
13. 半導体から発せられる光の混合によって白色光の印象が形成される、請求項１から１２いずれか１項記載のビーム発光型半導体素子。

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