JP2007251169A - 圧力印加による波長変換型発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】波長光を可変させることが出来る波長変換型発光ダイオードを提供する。
【解決手段】弾性力を有する支持基板及び上記支持基板の一領域に形成され、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層が順次に積層されて成る発光素子を含み、上記支持基板の反りによって上記活性層に圧力が印加され、そのエネルギーバンドギャップが変換されることを特徴とする波長変換型発光素子を提供する。支持基板は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びサファイアからなるグループ中選択された材料からなっていてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換型発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものであって、特に、印加圧力によって発光ダイオードの活性層のエネルギーバンドギャップを変化させ、発光ダイオードから発生する光の波長を調節することが出来る波長変換型発光素子に関する。

一般的に、一つの発光ダイオードは定められた特定波長光を放出することしか出来ない。従って、多様な色を具現するためには、相違する色の発光ダイオード、即ち赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を発光する種々の半導体発光ダイオードを組み合せて使用するものと認識されてきた。ところが、相違する複数の半導体発光ダイオードを組み合せる場合には、複雑な駆動回路が要されるだけでなく、色の混合による損失は避けられない。

最近は、特定波長光の発光ダイオードを一定の条件で所望の他の波長光に変換させる研究が活発に進行されつつある。このような一方案として特許文献１には、図１に図示された通り、特定波長光の発光ダイオード１１に圧電体層１５を用いた圧力を適用して活性層１１ｂのエネルギーバンドギャップを調整することにより、その波長光を可変させることが出来る波長変換型発光ダイオードが提案されている。

ここでは、発光ダイオードの活性層の格子定数を変化させるため、発光ダイオードの活性層１１ｂ面に垂直な圧力を加えるが、上記半導体発光ダイオード１１の第１及び第２導電型クラッド層１１ａ、１１ｃの外側面に圧電体層１５を配置し、上記圧電体１５層を囲う剛性フレーム１６で構成されている。上記圧電体層１５に電圧を印加すると、圧電体層１５の厚さが増加して上記発光ダイオード１１に圧力が加わり、活性層１１ｂのエネルギーバンドギャップが増加し、それによって発光ダイオードの波長は圧力が加わる前より短波長の光が発生する。

しかし、従来技術によると、発光ダイオードの波長変換のために、圧電体、上記圧電体に電圧を印加するための電圧源、上記圧電体の体積増加による圧力を発光ダイオードに伝えるための剛性フレームなどの付属部品が使用され、その構成が複雑になる。また、剛性フレームが発光ダイオードの多くの面積を囲うため、これによって発光効率が減少する問題がある。

大韓民国特許出願２００５−００１６５１８号（出願日：２００５．０２．２８）

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためのものであって、その目的は、基板の反りによって半導体発光ダイオードに適用される圧力を用いてその活性層のエネルギーバンドギャップを調整することにより、波長光を可変させることが出来る波長変換型発光ダイオードを提供することにある。

上記の技術的課題を解決すべく、本発明は、弾性力を有する支持基板及び上記支持基板の一領域に形成され、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層が順次に積層されて成る発光素子を含み、上記支持基板の反りによって上記活性層に圧力が印加され、そのエネルギーバンドギャップが変わることを特徴とする波長変換型発光素子を提供する。

上記支持基板は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びサファイアからなるグループ中選択された材料からなることが好ましい。または、上記支持基板は金属板であることが出来る。

上記支持基板の下部には、上記支持基板の脆性を補完するため金属板がさらに含まれることが出来る。

上記支持基板の一端は、多端に作用する力によって反りが発生するよう支持台に固定されていることが好ましい。

本発明によると、完成された単一発光ダイオードの特定光を基板の反りによって変更させることが可能で、フルカラー用ディスプレーに適用する場合、多様な色具現のために、反られる基板の曲率半径を機械的に調節することにより具現することが出来る。

また、波長変換型発光素子を製作するため構成される部品が簡素になり、また発光効率を高めることが出来る。

以下、添付の図面を参照に本発明をより詳しく説明する。図２は、本発明による波長変換型発光素子を示した概略図である。

図２を参照すると、本発明による波長変換型発光素子２０は、基板２２と上記基板の一面に形成された半導体発光ダイオードチップ２１とを含む。

上記基板２２は、外部から印加される物理的な力によって反られる程度の弾力性を有している。好ましくは、上記基板２２は、活性層２１ｂに圧力を上手く伝達するよう十分の強度を有する剛体で形成される。また上記基板２２は、一旦反られた後には、外部から更なる力が加わらない限り反られた形態が保持できる程度の剛体が好ましい。

基板２２の反りによる圧力が上記活性層２１ｂに伝達されるためには、上記発光ダイオードチップ２１は上記基板２２と強く接合されるべきである。上記基板２２が反られる時に上記発光ダイオードチップ２１が上記基板２２と分離されないようにするためである。好ましくは、上記基板２２上に上記発光ダイオードチップ２１を成長させ一体で形成することが出来る。

例えば、上記支持基板２２としては、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板のように発光ダイオード成長用基板を使用することが出来る。シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板またはサファイア基板のみを使用する場合には、反りに対する十分の強度が得られず、脆性があり得るため、上記基板の下部に金属板を付け加える方法も考慮できる。

上記基板２２に圧力を加える方法としては、上記基板２２の一端を支持台に固定させ、多端の上部または下部から上記活性層２１ｂ面に垂直であるよう力を加えることにより、曲げることが出来る。この際、上記基板２２の一端に圧力を加えても基板全体が均一な円形態を成しつつも屈折はされない。但し、上記基板２２の中間部分のみ円形態を成して屈折される。従って、基板２２の中央部分を両側面より薄く製作して屈折特性を高めることが出来る。この際、発光ダイオード２１を上記基板２２の曲がる中央部の上面に配置して基板屈折による影響を最大に受けるようにすることが好ましい。

または、上記基板２２の両端から中央へ水平に力を加えて上記基板２２が曲がるようにする方法も用いることが出来る。この場合には、基板の中央部分から基板の上方向または下方向に垂直して第３の力を加えて基板の反られる方向を決めることが出来る。

一般的に、半導体物質のエネルギーバンドギャップは、３〜６ｍｅＶ／Ｋｂａｒ程度の圧力依存性を有する。従って、約１００Ｋｂａｒを適用する場合には、約１００〜３００ｎｍの波長変換を誘導することができ、多様な色の可視光線を具現することが出来る。

このようなエネルギーバンドギャップの圧力依存性は、一般的な半導体物質の場合には、圧力の増加によってエネルギーバンドギャップが増加する傾向を有する。従って、圧力増加によって発光ダイオードの発光波長は短波長化される傾向を有する。従って、圧力が印加されていない状態で発光ダイオードの波長光は、約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長光を有することがフルカラー具現に好ましい。

図３は、本発明の一実施形態によって基板に圧力を加えて反りを起こす形態に関する概略図である。

図３ａは、基板３２の一端を支持台３３に固定させ、他端の下部から力（Ｆ）を加えることにより、発光ダイオードチップ３１が上記反られた基板３２の内側に位置するようにした実施形態である。

図３ａのように基板が反られることにより、基板３２の内側に位置する発光ダイオードチップ３１の活性層３１ｂには、水平方向（活性層面に平行した方向）に圧縮力が作用し、これによって活性層３１ｂのエネルギーバンドギャップが広くなり短波長の光が放出される。

図３ｂは基板３２の一端を支持台３３に固定させ、他端の上部から力（Ｆ）を加えることにより、発光ダイオードチップ３１が上記反られた基板３２の外側に位置するようにした実施形態である。

図３ｂのように基板３２が反られることにより、基板３２の外側に位置する発光ダイオードチップ３１の活性層３１ｂには、水平方向（活性層面に平行した方向）に引張力が作用し、これによって活性層３１ｂのエネルギーバンドギャップが狭くなって長波長の光が放出される。

図３ａ及び図３ｂから分かるように、発光ダイオードチップ３１の活性層３１ｂに圧力を加えるのは、上記発光ダイオードチップ３１と接している基板部分の反りである。従って、上記発光ダイオードチップ３１が成長されていない部分と上記発光ダイオードチップ３１が成長された部分の厚さが異なるようにして、上記基板３２の反りの程度を異なるようにすることも出来る。

活性層３１ｂに印加される圧力による発光波長の変化挙動は、その活性層３１ｂに印加された電界（または発光ダイオードチップ３１に印加されたバイアス電圧）によって異なることが出来る。例えば、特定バイアス電圧では圧力増加によって波長が減少するが、他のバイアス電圧では圧力増加によって波長が増加されることが出来る。

図３のような構成を有する波長変換型発光素子のサンプルを製作して、印加圧力による波長光の変化を測定することも出来る。本実施形態と類似な従来技術によると、上記活性層３１ｂに印加される圧力（σ）は、上記反られた基板３２の曲率（Ｒ）測定によって計算されるが、印加圧力（σ）と曲率（Ｒ）との関係式は下記の通りである。

σ＝Ｙｈ／２Ｒ

上記数学式において、Ｙはヤング係数（Ｙｏｕｎｇ'ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）で、ｈは基板の厚さを示す。

上記数学式から分かるように、活性層に印加される圧力は、曲がる基板の曲率半径に反比例し基板の厚さに比例する。従って、活性層に印加される圧力は基板の曲率半径が小さいほど、そして基板の厚さが厚いほど増加する。上記基板の厚さ及び曲率半径は、実際製作される発光素子の利用分野を考慮して調節することが好ましい。

図４は、曲率半径によって活性層に加わる圧縮力を示したグラフである。ここでは、０．５ｍｍ厚さの基板を使用したものであって、約２ｍｍの曲率半径から２０ＧＰａの圧力を得ることができ、これは約２００ｎｍの波長の変換効果がある。ちなみに、１ＭＰａ＝１０ｂａｒの関係にある。

曲率半径による圧力の変化は、線形的（ｌｉｎｅａｒ）に起こらず、特に曲率半径が２ｍｍ〜２２ｍｍの間で大きく起きることがみられる。即ち、基板の曲率半径が２ｍｍの場合に印加される圧力が約２０ＭＰａであるが、曲率半径が２２ｍｍの場合には印加圧力が２ＧＰａと急激に減少する。しかし、その以降は曲率半径が倍に増加しても、これによる印加圧力は大きく減少しない。

また、上記基板を逆方向に曲がるようにした場合には、同一大きさの引張力が作用する。

このように曲率半径の変化によって上記活性層に加わる圧力が敏感に変わるため、曲率半径の大きさを機械的に調節することにより、発光ダイオードの光波長を調節することが出来る。

このような曲率半径と圧縮力との関係は、基板の厚さだけでなく、上記発光ダイオードチップに加わるバイアス電圧の差によっても異なることが出来る。

本発明では、基板の厚さによる曲率半径と印加圧力、エネルギーバンドギャップの変化及び波長の変化との関係を具体的に開示してはいないが、これは該当分野の通常の知識を有している者により必要なデータを得ることが出来る。

本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲によって限定しようとする。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有している者により様々な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属する。

従来技術による波長変換型発光装置を示した概略図である。 本発明による波長変換型発光素子を示した概略図である。 本発明の一実施形態に関する概略図である。 本発明の一実施形態による波長変換型発光素子の反られた基板の曲率半径と活性層に印加される圧力との関係を示したグラフである。

Claims (5)

1. 弾性力を有する支持基板と、
   前記支持基板の一領域に形成され、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順次に積層されて成る発光素子とを含み、
   前記支持基板の反りによって前記活性層に圧力が印加され、そのエネルギーバンドギャップが変わることを特徴とする波長変換型発光素子。
2. 前記支持基板は、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＮ及びサファイアからなるグループ中選択された材料からなることを特徴とする請求項１に記載の波長変換型発光素子。
3. 前記支持基板の下部に金属板がさらに含まれたことを特徴とする請求項２に記載の波長変換型発光素子。
4. 前記支持基板は、金属板であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換型発光素子。
5. 前記支持基板の一端は、他端に作用する力によって反りが発生するよう支持台に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換型発光素子。

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