JP2006261207A

JP2006261207A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2006261207A
Application number: JP2005073044A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Kunitake; 栄一国武; Tomihisa Yukimoto; 富久行本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】波長のみでなく、発光強度も所望の割合で組み合わせることができる安価な植物育成用光源として適した半導体発光素子を提供することにある。
【解決手段】中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオード、例えば青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外光ＬＥＤの３種類を１チップ内に形成した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、植物育成用の光源として適した半導体発光素子に関するものである。

植物はいくつかの波長の組み合わせによって光合成効率が高まることが知られており、現在盛んに研究がされている。

一般に、植物育成用の光源としては、異なる波長をもつＬＥＤ（発光ダイオード）ランプをある割合で組み合わせて使用する方法がとられている。

しかし、この方法では、異なる波長をもつＬＥＤランプを複数種類用意し、それを一定比率で組み立てなければならないため、量産性が悪くどうしてもＬＥＤ植物育成機が高価になってしまうという問題があった。

これに対し、複数の波長の光を発光するＬＥＤを１チップ化したものとして、特開平６−１６３９８８号公報（特許文献１）がある。

また、クロロフィル（葉緑素）の２つの吸光ピークに対応してそれぞれ赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤを用いるという考え方から出発して、１個のＬＥＤでクロロフィルの両吸光ピーク（青色域、赤色域）をカバーした植物育成用光源が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２において提案されている具体的手段は、次の３つである。

第１は、それら両吸収ピークの光を、１個のＬＥＤ内に設けた２個の発光層により供給する形態である。すなわち、１個のＬＥＤ内に、波長４００〜４８０ｎｍの光を生成する第１発光層と６５０〜７００ｎｍの光を生成する第２発光層とを形成する。

第２は、短波長側（４００〜４８０ｎｍ）のピークをＬＥＤ本体で生成させ、長波長側（６５０〜７００ｎｍ）のピークは、そのＬＥＤを載置する基板（蛍光体）で生成させる形態である。

第３は、同様に短波長側（４００〜４８０ｎｍ）のピークをＬＥＤ本体で生成させ、長波長側（６５０〜７００ｎｍ）のピークを、それを覆う蛍光体で発生させる形態である。
特開平６−１６３９８８号公報特開２００２−２７８３１号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示さているのは、１個のＬＥＤ内に、異なる波長の発光部を複数個設けるという考え方の形態だけであり、波長のみでなく、その発光強度もある割合で組み合わされるようにした形態については開示がない。

図３は、青色ＬＥＤ（ピーク波長４７０ｎｍ）、赤色ＬＥＤ（ピーク波長６８０ｎｍ）及び近赤外色ＬＥＤ（ピーク波長７３５ｎｍ）の発光スペクトルａ、ｂ、ｃを、白色蛍光灯の発光スペクトルと共に示したものである。

他方、図４は、植物の要求スペクトル（チャンバ作物２０種の平均）を示したものである。図４の上側は、太陽光の光スペクトルを示したものであり、青色ＬＥＤ（ピーク波長４７０ｎｍ）と赤色ＬＥＤ（ピーク波長６８０ｎｍ）のみではカバーできない７００ｎｍ以上の波長領域に及ぶ。また、図４の下側は、植物の要求スペクトルの波長と相対光エネルギーの関係を示したものであり、短波長側（４００〜４８０ｎｍ）の高エネルギー反応系Ａ、長波長側（６００〜６７０ｎｍ）のフィトクロムＰ_R系Ｂ、同じく長波長側（７００ｎｍ〜）のフィトクロムＰ_FR系Ｃの３つがあり、植物の要求スペクトル全体としては光合成Ｄとなるものである。

ここで植物の要求スペクトルである、高エネルギー反応系Ａ、フィトクロムＰ_R系Ｂ、フィトクロムＰ_FR系Ｃの３つは、図３の青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤの発光スペクトルａ、ｂ、ｃの波長域に近似している。そこで、両者を対応づけ、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤの３つを組み合わすことにより、植物育成用光源を構成することが考えられる。

しかし、図３と図４の波形の比較から判るように、光出力が同じ青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤを単に１個のチップ内に配置しただけでは、所望する植物の要求スペクトルを実現することができない。青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤは、植物の要求スペクトルであるところの、高エネルギー反応系Ａ、フィトクロムＰ_R系Ｂ、フィトクロムＰ_FR系Ｃの３つに対応させて、発光波長だけでなく、その発光強度もある割合で組み合わされた形態とする必要がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、波長のみでなく、発光強度も所望の割合で組み合わせることができる安価な植物育成用光源として適した半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体発光素子は、中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオードを１チップ内に形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、上記発光ダイオードとして、青色域の発光ダイオード、赤色域の発光ダイオード、近赤外色域の発光ダイオードの３種類を含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体発光素子において、上記発光ダイオードそれぞれの波長の必要出力に応じて発光部の面積を異ならせたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、上記発光ダイオードそれぞれの波長の必要出力に応じて発光ダイオードの数を変えたことを特徴とする。

本発明によれば、中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオードを１チップ内に形成したので（請求項１）、植物の要求スペクトル（図４）における、高エネルギー反応系Ａ、フィトクロムＰ_R系Ｂ、フィトクロムＰ_FR系Ｃの３つに対応させて、発光波長だけでなく、その発光強度も適切な割合で組み合わせて植物育成用光源を構成することができる。

これは具体的には、上記発光ダイオードとして、青色域の発光ダイオード、赤色域の発光ダイオード、近赤外色域の発光ダイオードの３種類を含ませることで達成することができる（請求項２）。

また、これらの発光ダイオードの光出力を互いに異ならせる手段は、発光部の面積を異ならせるか（請求項３）、又は発光ダイオードの数を変えることで達成することができる（請求項４）。

本発明による半導体発光素子では、中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオードを１チップ内に形成しているため、従来のように、異なる波長をもつＬＥＤランプを複数個組み合わせて配置する必要がない。このため、組立性が良好でコストが安いＬＥＤ植物育成機を提供することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は本発明の半導体発光素子の上面図、図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。

図１に示すように半導体発光素子のチップ上に、波長λ_Aの光を発生する発光ダイオードから成る発光部１１、波長λ_Cの光を発生する発光ダイオードから成る発光部１２、波長λ_Bの光を発生する発光ダイオードから成る発光部１３が、それぞれ必要出力に応じた面積を持って配置されている。それらの発光部（発光ダイオード）１１〜１３は、配線３４、３６、３８によりアノード電極１４に接続され、配線３５、３７、３９によりカソード電極１５に接続されている。

発光部（発光ダイオード）１１〜１３の断面構造は、図２に示す通りである。

半絶縁性又はｎ型の半導体基板２１の上に、波長λ_Aを発生するための発光ダイオード構造（発光部１１）、波長λ_Cを発生する発光ダイオード構造（発光部１２）、波長λ_Bを発生する発光ダイオード構造（発光部１３）が構成され、それらは発光部１１、発光部１２、発光部１３の順に発光面積が大きくなっている。

発光部１１は、波長λ_Aとしてここでは青色域の光を発生する発光ダイオード（青色ＬＥＤ）から成り、半導体基板２１上に、ｐ型コンタクト層２２、ｐ型半導体２３、ｎ型半導体２４、ｎ型コンタクト層２５を順次積層した構造を有する。

発光部１２は、波長λ_Cとしてここでは近赤外色を発生する発光ダイオード（近赤外色ＬＥＤ）から成り、半導体基板２１上に、ｐ型コンタクト層２６、ｐ型半導体２７、ｎ型半導体２８、ｎ型コンタクト層２９を順次積層したも構造を有する。

発光部１３は、波長λ_Bとしてここでは赤色光を発生する発光ダイオード（赤色ＬＥＤ）から成り、半導体基板２１上に、ｐ型コンタクト層３０、ｐ型半導体３１、ｎ型半導体３２、ｎ型コンタクト層３３を順次積層した構造を有する。

これらの発光部（発光ダイオード）１１〜１３は、発光させるために、そのｐ型コンタクト層２２、２６、３０とアノード電極１４との間を配線３４、３６、３８で接続すると共に、ｎ型コンタクト層２５、２９、３３とカソード電極１５との間を配線３５、３７、３９で接続する。

上記のように、中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオード（発光部１１〜１３）を１チップ内に形成したので、植物の要求スペクトル（図４）における、高エネルギー反応系Ａ、フィトクロムＰ_R系Ｂ、フィトクロムＰ_FR系Ｃの３つに対応させて、波長及び発光強度を適切な割合で組み合わせることにより、所望の植物育成用光源を構成することができる。

また、青色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤの他に、近赤外色ＬＥＤを設けているので、青色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤだけではカバーできない７００ｎｍ以上の長波長領域についても、光放射することが可能であり、従来まだ開発されていない植物育成用途にも対応することができる。
＜他の実施形態、変形例＞
上記実施形態では、中心波長が異なる３種類のＬＥＤの面積を変えることによって、光出力の割合を変えたが、本発明はこれに限定されるものではなく、青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤといった３種類のＬＥＤについて、１チップ内に設置する各種類毎のＬＥＤの数の比率を変えることによって、光出力の割合を変える構成としても良い。

本発明の半導体発光素子の上面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。青色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ及び近赤外色ＬＥＤの発光スペクトルａ、ｂ、ｃを、白色蛍光灯の発光スペクトルと共に示した図である。植物の要求スペクトルを、太陽光の光スペクトルと共に示した図である。

符号の説明

１１発光部（波長λ_A）（青色ＬＥＤ）
１２発光部（波長λ_C）（近赤外色ＬＥＤ）
１３発光部（波長λ_B）（赤色ＬＥＤ）
１４アノード電極
１５カソード電極
２１半絶縁性又はｎ型の半導体基板
２２ｐ型コンタクト層
２３ｐ型半導体
２４ｎ型半導体
２５ｎ型コンタクト層
２６ｐ型コンタクト層
２７ｐ型半導体
２８ｎ型半導体
２９ｎ型コンタクト層
３０ｐ型コンタクト層
３１ｐ型半導体
３２ｎ型半導体
３３ｎ型コンタクト層
３４、３６、３８配線
３５、３７、３９配線

Claims

中心波長及び光出力が互いに異なる複数の発光ダイオードを１チップ内に形成したことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１記載の半導体発光素子において、
上記発光ダイオードとして、青色域の発光ダイオード、赤色域の発光ダイオード、近赤外色域の発光ダイオードの３種類を含むことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１又は２記載の半導体発光素子において、
上記発光ダイオードそれぞれの波長の必要出力に応じて発光部の面積を異ならせたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１記載の半導体発光素子において、
上記発光ダイオードそれぞれの波長の必要出力に応じて発光ダイオードの数を変えたことを特徴とする半導体発光素子。