JP2007335799A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】実用化が容易で、製造される製品間で色成分のバラツキが少なく、良好なホワイトバランスの白色光を得る。
【解決手段】青色領域の光を発する青色発光層と、緑色領域の光を発する緑色発光層と、を有するIII族窒化物系半導体の発光素子２と、青色光により励起されて黄色領域から赤色領域の光を発する蛍光体と、を備え、発光素子２から発せられた青色光及び緑色光と、青色光による励起により蛍光体から発せられた波長変換光と、の組み合わせにより白色光が得られるようにした。
【選択図】図２
【解決手段】青色領域の光を発する青色発光層と、緑色領域の光を発する緑色発光層と、を有するIII族窒化物系半導体の発光素子２と、青色光により励起されて黄色領域から赤色領域の光を発する蛍光体と、を備え、発光素子２から発せられた青色光及び緑色光と、青色光による励起により蛍光体から発せられた波長変換光と、の組み合わせにより白色光が得られるようにした。
【選択図】図２
Description
本発明は、発光素子から発せられる発光光と、この発光光により励起された蛍光体から発せられる波長変換光により白色光を得る発光装置に関する。
白色発光装置として、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを封止する封止用樹脂に蛍光体を含有させた蛍光部材とを備える発光装置が実用化されている。このような発光装置の代表的な例として、青色ＬＥＤチップと、青色光を励起光とする黄色蛍光体を含有させた蛍光部材を備えた発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この発光装置では、視感度の高い緑色光の光度が少ないため、ホワイトバランスが十分ではなかった。
このような問題を解決するために、紫外ＬＥＤチップと、紫外光を励起光とする青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を含有させた蛍光部材とを備えた発光装置や、青色ＬＥＤチップと、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を含有させた蛍光部材とを備えた発光装置が開発されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照
。）。
。）。
しかしながら、複数種の蛍光体を用いた発光装置では、蛍光体の比重の違いにより封止樹脂内における各蛍光体の沈降の度合いが異なるため、蛍光部材を成形する際に、各蛍光体の濃度調整が困難であった。これにより、製造された発光装置ごとに白色光の色成分にばらつきが生じやすかった。
一方、ＧａＸＩｎ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）は、ＩｎとＧａの組成比を変えることにより、３６５ｎｍ（紫外光）〜６５５ｎｍ（赤色光）の波長光のエネルギーに相当するバンドギャップを有するため、上記の組成からなる赤色発光層、緑色発光層及び青色発光層を含むＭＱＷ（multiple-quantum well）を形成し、１つのＬＥＤチップで白色光を得る方法が検討されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平１０−２４２５１３号公報
特開２００３−２４９６９４号公報
特開２００４−３２７５１８号公報
特開２００３−２３４７００号公報
しかしながら、特許文献４の発光層の組成において、Ｉｎの混晶比が大きくなると、良好な結晶を得ることが困難であるため、赤色発光層の形成には問題が残る。また、長波長側の赤色光が青色発光層に吸収されやすいため、赤色光の光取り出し効率が悪い。
これらの理由から、１つのＬＥＤチップで白色光を得る方法の実用化は困難である。
これらの理由から、１つのＬＥＤチップで白色光を得る方法の実用化は困難である。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実用化が容易で、製造される製品間で色成分のバラツキが少なく、良好なホワイトバランスの白色光を得ることのできる発光装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、
青色領域と緑色領域にそれぞれピーク波長を有する光を出射する発光素子と、
前記青色領域にピーク波長を有する光を受けて黄色領域から赤色領域の発光スペクトルを有する波長変換光を出射する蛍光体と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
青色領域と緑色領域にそれぞれピーク波長を有する光を出射する発光素子と、
前記青色領域にピーク波長を有する光を受けて黄色領域から赤色領域の発光スペクトルを有する波長変換光を出射する蛍光体と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
本発明の発光装置によれば、発光素子から発せられた青色光及び緑色光と、青色光による励起により蛍光体から発せられた波長変換光と、の組み合わせにより白色光が得られる。このようにして得られた白色光は、青色光のピーク波長と、波長変換光のピーク波長に加え、緑色光のピーク波長を有し、従来よりもブロードな発光スペクトル特性となる。
また、眼の視感度の高い緑色領域での発光量が多くなるため、良好なホワイトバランスを得ることができる。ちなみに、理想的な白色を得るには、赤色、緑色及び青色の光量を、この順で例えば、２：６：１或いは３：７：１の比率とするのが良いといわれている。
さらに、緑色光が波長変換等されることなく取り出されるので発光効率が良い。また、緑色領域をカバーするよう波長変換する必要がないことから、蛍光体が受け持つ波長領域を小さくすることができ、実用に際して極めて有利である。
また、用いられる蛍光体が１種類であるので、複数種の蛍光体を用いる従来のように、蛍光体の比重の違いから各蛍光体の封止部材内における沈降度合いがばらつくようなことはない。
また、眼の視感度の高い緑色領域での発光量が多くなるため、良好なホワイトバランスを得ることができる。ちなみに、理想的な白色を得るには、赤色、緑色及び青色の光量を、この順で例えば、２：６：１或いは３：７：１の比率とするのが良いといわれている。
さらに、緑色光が波長変換等されることなく取り出されるので発光効率が良い。また、緑色領域をカバーするよう波長変換する必要がないことから、蛍光体が受け持つ波長領域を小さくすることができ、実用に際して極めて有利である。
また、用いられる蛍光体が１種類であるので、複数種の蛍光体を用いる従来のように、蛍光体の比重の違いから各蛍光体の封止部材内における沈降度合いがばらつくようなことはない。
また、上記発光装置において、
前記発光素子は、前記青色領域にピーク波長を有する光を発する青色発光層と、前記緑色領域にピーク波長を有する光を発する緑色発光層と、を有するIII族窒化物系半導体であることが好ましい。
前記発光素子は、前記青色領域にピーク波長を有する光を発する青色発光層と、前記緑色領域にピーク波長を有する光を発する緑色発光層と、を有するIII族窒化物系半導体であることが好ましい。
ここで、III族窒化物系半導体からなる発光素子は、成長基板の上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層し、ｐ型電極及びｎ型電極を形成したものである。成長基板は、その上にIII族窒化物系化合物半導体層を成長可能なものであれば用いることができ、例えば、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン等からなる基板を用いることができる。成長基板としてサファイア基板を用いることが好ましく、この場合、ａ面を利用すると、結晶性の良好なIII族窒化物系化合物半導体層を成長させることができる。
また、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＸＩｎ１−ＸＮ及びＧａＸＩｎ１−ＸＮ（以上において０＜Ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。
また、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。さらに、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。
また、III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
また、基板とIII族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
ｐ側電極材料としては、Ｒｈ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｒｅなどの金属またはこれらの任意の２種類以上の合金を用いることができる。また、これらの金属又は合金を透光性電極として、薄膜化して用いることもできる。例えば、Ａｕ、Ｃｏを積層したものを用いることができる。さらに発光素子をフリップチップとして用いるときは、金属の中でもＲｈ、Ｐｔ、Ｒｕ及びこれらの合金がIII族窒化物系化合物半導体発光素子の発光波長に対して高い反射効率を有し、かつｐ型III族窒化物系化合物半導体層に対するコンタクト抵抗が低いため、好適なｐ側電極材料として用いることができる。さらに、ｐ側電極を、異なる組成の層が積層された二層又は多層構造とすることもできる。さらにまた、ｐ側電極を、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ等の酸化物からなる透明電極とすることもできる。
ｎ側電極材料としては、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆなどの金属またはこれらの任意の２種類以上の合金を用いることができる。ｎ側電極を、異なる組成の層が積層された二層又は多層構造とすることもできる。例えば、ＶとＡｌの２層構造とすることができる。
III族窒化物系化合物半導体発光素子は、例えば、次のように製造することができる。まず、III族窒化物系化合物半導体層の成長基板を用意し、その上に少なくともｎ型III族窒化物系化合物半導体層、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層及びｐ型III族窒化物系化合物半導体層がこの順に並ぶように複数の半導体層を積層する。次に、エッチング処理を施しｎ型半導体層の一部を表出させる。続いて、ｐ側電極及びｎ側電極を、ｐ型III族窒化物系化合物半導体層上及びｎ型III族窒化物系化合物半導体層上にそれぞれ形成する。ｐ側電極及びｎ側電極の形成は、蒸着、スパッタリング等の方法により行うことができる。続いて、所定の粒子径の研磨材を用いて基板を所望の厚さになるまで研磨した後、チップの分離を行う。
また、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＸＩｎ１−ＸＮ及びＧａＸＩｎ１−ＸＮ（以上において０＜Ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。
また、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。さらに、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。
また、III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
また、基板とIII族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
ｐ側電極材料としては、Ｒｈ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｒｅなどの金属またはこれらの任意の２種類以上の合金を用いることができる。また、これらの金属又は合金を透光性電極として、薄膜化して用いることもできる。例えば、Ａｕ、Ｃｏを積層したものを用いることができる。さらに発光素子をフリップチップとして用いるときは、金属の中でもＲｈ、Ｐｔ、Ｒｕ及びこれらの合金がIII族窒化物系化合物半導体発光素子の発光波長に対して高い反射効率を有し、かつｐ型III族窒化物系化合物半導体層に対するコンタクト抵抗が低いため、好適なｐ側電極材料として用いることができる。さらに、ｐ側電極を、異なる組成の層が積層された二層又は多層構造とすることもできる。さらにまた、ｐ側電極を、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ等の酸化物からなる透明電極とすることもできる。
ｎ側電極材料としては、Ａｌ、Ｖ、Ｓｎ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆなどの金属またはこれらの任意の２種類以上の合金を用いることができる。ｎ側電極を、異なる組成の層が積層された二層又は多層構造とすることもできる。例えば、ＶとＡｌの２層構造とすることができる。
III族窒化物系化合物半導体発光素子は、例えば、次のように製造することができる。まず、III族窒化物系化合物半導体層の成長基板を用意し、その上に少なくともｎ型III族窒化物系化合物半導体層、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層及びｐ型III族窒化物系化合物半導体層がこの順に並ぶように複数の半導体層を積層する。次に、エッチング処理を施しｎ型半導体層の一部を表出させる。続いて、ｐ側電極及びｎ側電極を、ｐ型III族窒化物系化合物半導体層上及びｎ型III族窒化物系化合物半導体層上にそれぞれ形成する。ｐ側電極及びｎ側電極の形成は、蒸着、スパッタリング等の方法により行うことができる。続いて、所定の粒子径の研磨材を用いて基板を所望の厚さになるまで研磨した後、チップの分離を行う。
また、青色発光層と緑色発光層の構造は特に限定されないが、多重量子井戸構造の中に青色発光層及び緑色発光層を含ませることが好ましい。また、青色発光層と緑色発光層の数は特に限定されるものではない。各層の出力を考慮して、２つの発光層から放出される光から所望の青色光及び緑色光が放出されるようにすればよい。
また、上記発光装置において、
前記発光素子は、フリップチップ実装されるものであり、前記青色発光層が前記緑色発光層よりも成長基板側に形成されることが好ましい。
前記発光素子は、フリップチップ実装されるものであり、前記青色発光層が前記緑色発光層よりも成長基板側に形成されることが好ましい。
この発光装置によれば、発光素子がフリップチップ実装されることから、発光素子の成長基板側から主に光が取り出される。そして、光の取り出し側から青色発光層、緑色発光層の順に並ぶことから、青色発光層から光の取り出し方向へ出射された青色光は、緑色発光層を介することなく成長基板から素子外部へ出射される。従って、青色発光層における緑色光の吸収率に比して緑色発光層における青色光の吸収率が高いところ、青色光の大部分を緑色発光層を介さずに取り出すことができ、発光効率を向上させることができる。
また、上記発光装置において、
前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の短い順に並べられることが好ましい。
前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の短い順に並べられることが好ましい。
この発光装置によれば、青色発光層及び緑色発光層は、光の取り出し側から発光波長の長い順に並ぶことから、短波長の発光層から光の取り出し方向へ出射された光は、長波長の発光層を介することなく成長基板から素子外部へ出射される。従って、短波長光の大部分を、長波長の発光層を介さずに取り出すことができ、発光効率をさらに向上させることができる。
また、上記発光装置において、
前記発光素子は、フェイスアップ実装されるものであり、前記緑色発光層が前記青色発光層よりも成長基板側に形成されることが好ましい。
前記発光素子は、フェイスアップ実装されるものであり、前記緑色発光層が前記青色発光層よりも成長基板側に形成されることが好ましい。
この発光装置によれば、発光素子がフェイスアップ実装されることから、発光素子の成長基板と反対側から主に光が取り出される。そして、光の取り出し側から青色発光層、緑色発光層の順に並ぶことから、青色発光層から光の取り出し方向へ出射された青色光は、緑色発光層を介することなく成長基板から素子外部へ出射される。従って、青色発光層における緑色光の吸収率に比して緑色発光層における青色光の吸収率が高いところ、青色光の大部分を緑色発光層を介さずに取り出すことができ、発光効率を向上させることができる。
また、上記発光装置において、
前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の長い順に並べられることが好ましい。
前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の長い順に並べられることが好ましい。
この発光装置によれば、青色発光層及び緑色発光層は、光の取り出し側から発光波長の長い順に並ぶことから、短波長の発光層から光の取り出し方向へ出射された光は、長波長の発光層を介することなく成長基板から素子外部へ出射される。従って、短波長光の大部分を、長波長の発光層を介さずに取り出すことができ、発光効率をさらに向上させることができる。
また、上記発光装置において、
前記青色領域のピーク波長は４４０〜４７０ｎｍであり、
前記緑色領域のピーク波長は５００〜５５０ｎｍであり、
前記波長変換光のピーク波長は５７０〜６２０ｎｍであることが好ましい。
前記青色領域のピーク波長は４４０〜４７０ｎｍであり、
前記緑色領域のピーク波長は５００〜５５０ｎｍであり、
前記波長変換光のピーク波長は５７０〜６２０ｎｍであることが好ましい。
本発明によれば、白色光は、青色光のピーク波長と、波長変換光のピーク波長に加え、緑色光のピーク波長を有し、従来よりも色再現性を向上させることができる。また、眼の視感度の高い緑色領域での発光量が多くなるため、良好なホワイトバランスを得ることができる。さらに、緑色発光層から発せられた緑色光が波長変換等されることなく取り出されるのでエネルギーのロスを低減することができる。
また、用いられる蛍光体が１種類であることから、製造された発光装置ごとに白色光の色成分にばらつきが生じることはない。さらに、発光素子に良好な結晶を得ることが困難な赤色発光層を形成する必要がないことから実用化が容易である。
また、用いられる蛍光体が１種類であることから、製造された発光装置ごとに白色光の色成分にばらつきが生じることはない。さらに、発光素子に良好な結晶を得ることが困難な赤色発光層を形成する必要がないことから実用化が容易である。
図１から図４は本発明の一実施形態を示すもので、図１は発光装置の概略模式断面図である。
図１に示すように、発光装置１は、ＬＥＤチップ２から発せられる光を取り出すための開口が形成されたケース３と、ＬＥＤチップ２から発せられる光の一部により波長変換光を発する蛍光体を含有する蛍光部材４と、ＬＥＤチップ２が搭載される基板５と、を備えている。ＬＥＤチップ２はフェイスアップの状態で基板５に搭載され、ｐ電極２７及びｎ電極２９が基板５上のリード電極５１，５２に、ワイヤ６，７を用いて電気的に接続されている。
ケース３は、略円筒形状を呈し、下端側が基板５により閉塞される。本実施形態においては、ケース３と基板５とは接着剤８（図２参照）により接合され、基板５に搭載されたＬＥＤチップ２が包囲される。また、ケース３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなり、内壁面の光の反射率が比較的高くなっている。尚、ケース３の材質としては、アルミナの他に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、内壁に銀（Ａｇ）が蒸着された銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）等を用いてもよいし、白色の樹脂を用いてもよい。また、本実施形態においては、基板５はセラミックにより構成される。
ケース３の内壁は、基板５に対する傾斜角度が４５°〜６０°となるよう形成されリフレクタ３ａをなしている。リフレクタ３ａの内側には前述の蛍光部材４が充填され、蛍光部材４によりＬＥＤチップ２が封止されている。蛍光部材４は、蛍光体を含有するシリコーン系、エポキシ系等の樹脂が用いられる。
図２はＬＥＤチップの模式断面図である。以下、ＬＥＤチップ２の構成について説明する。
図２に示すように、ＬＥＤチップ２は、成長基板２１の上にバッファ層２２、ｎ型層２３、ＭＱＷ（multiple-quantum well）層２４及びｐ型層２５がこの順に形成されている。そして、ｐ電極２８が透光性電極２７を介してｐ型層２５上に形成され、ｎ電極２９がｎ型層上に形成される。ＬＥＤチップ２は、青色領域と緑色領域にそれぞれピーク波長を有する光を出射する。
図２に示すように、ＬＥＤチップ２は、成長基板２１の上にバッファ層２２、ｎ型層２３、ＭＱＷ（multiple-quantum well）層２４及びｐ型層２５がこの順に形成されている。そして、ｐ電極２８が透光性電極２７を介してｐ型層２５上に形成され、ｎ電極２９がｎ型層上に形成される。ＬＥＤチップ２は、青色領域と緑色領域にそれぞれピーク波長を有する光を出射する。
本実施形態においては、成長基板２１としてサファイア基板が用いられる。尚、成長基板２１はこれに限定されることはなく、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等からなる基板を用いてもよい。
バッファ層２２は、ＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成される。バッファ層２２はこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いてもよいし、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハイドライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いてもよい。ここで、成長基板２１としてIII族窒化物系化合物半導体単結晶を用いた場合は、バッファ層２２を省略してもよい。さらに、成長基板２１とバッファ層２２は、ＬＥＤチップ２の形成後に必要に応じて除去してもよい。
ｎ型層２３は、ｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｎ型層２３をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型層２３にｎ型不純物としてＳｉをドープしているが、ｎ型不純物としてＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いてもよい。ｎ型層２３は、ＭＱＷ層２４側の低電子濃度ｎ−層とバッファ層２２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。
ｐ型層２５は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなる。本実施形態においてはｐ型層２５をＧａＮで形成しているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｐ型不純物としてＭｇをドープしているが、ｐ側不純物としてＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いてもよい。さらに、ｐ型層２５は、ＭＱＷ層２４側の低ホール濃度ｐ−層と電極側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。
ｎ電極２９は、ＡｌとＶの２層で構成される。具体的には、ｐ型層２５を形成した後、ｐ型層２５、ＭＱＷ層２４及びｎ型層２３の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりｎ型層２３上に形成される。
また、ｐ電極２８は金を含む材料で構成されており、ｐ型層２５の上に積層される透光性電極２７の上に蒸着により形成される。ここで、透光性電極２７は金を含む薄膜である。
図３はＬＥＤチップのＭＱＷ層の模式図である。
図３に示すように、ｎ型層２３上形成されるＭＱＷ層２４は、８ペアのＱＷからなる。具体的に、ＭＱＷ層２４は、６つの青色発光層２４ａ及び２つの緑色発光層２４ｂと、これらの間に介在するバリア層２４ｃを有している。各青色発光層２４ａはｐ型層２５側に配され、発光波長のドミナント波長が４５５ｎｍである。各緑色発光層２４ｂはｎ型層２３側に配され、発光波長のドミナント波長が５２５ｎｍである。すなわち、各青色発光層２４ａは各緑色発光層２４ｂよりも成長基板２１側に形成されている。具体的に、青色発光層２４ａは、組成がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであり膜厚が２．４ｎｍである。また、緑色発光層２４ｂは、組成がＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎであり膜厚が３．０ｎｍである。また、バリア層２４ｃは、組成がＧａＮであり膜厚が１６ｎｍである。
図３に示すように、ｎ型層２３上形成されるＭＱＷ層２４は、８ペアのＱＷからなる。具体的に、ＭＱＷ層２４は、６つの青色発光層２４ａ及び２つの緑色発光層２４ｂと、これらの間に介在するバリア層２４ｃを有している。各青色発光層２４ａはｐ型層２５側に配され、発光波長のドミナント波長が４５５ｎｍである。各緑色発光層２４ｂはｎ型層２３側に配され、発光波長のドミナント波長が５２５ｎｍである。すなわち、各青色発光層２４ａは各緑色発光層２４ｂよりも成長基板２１側に形成されている。具体的に、青色発光層２４ａは、組成がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであり膜厚が２．４ｎｍである。また、緑色発光層２４ｂは、組成がＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎであり膜厚が３．０ｎｍである。また、バリア層２４ｃは、組成がＧａＮであり膜厚が１６ｎｍである。
ここで、ＭＱＷ層２４のｐ型層２５側に、マグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含めてもよい。これにより、ＭＱＷ層２４中に注入された電子がｐ型層２５に拡散することを効果的に防止することができる。
以上のように構成されたＬＥＤチップ２からは、青色光及び緑色光が発せられる。そして、蛍光部材４の蛍光体は、ＬＥＤチップ２から発せられた青色光を受けて励起されると波長変換光を発する。本実施形態においては、この波長変換光は橙色光である。尚、この蛍光体は、ＬＥＤチップ２から発せられた緑色光によっては励起されない。
蛍光部材４の蛍光体は、青色領域にピーク波長を有する光を受けて黄色領域から赤色領域の発光スペクトルを有する波長変換光を出射する。蛍光部材４の蛍光体としては、例えば、（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が用いられる。蛍光部材４の蛍光体は、図４に示すように５９５ｎｍ付近にピーク波長を有する橙色の波長変換光を発する。ここで、図４は本実施形態の発光装置にて得られる白色光の発光スペクトルを示すグラフである。図４中、本実施形態の発光装置の白色光を実線で示し、従来の発光装置の白色光を破線で示している。
図４に示すように、青色光と波長励起光の組み合わせにより白色光を実現する従来のものに比べ、蛍光体のピーク波長が長波長側にシフトしている。蛍光体として（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋を用いる場合は、Ｇｄの含有量を多くすることによりピーク波長を長波長側にシフトさせることができ、これによりピーク波長の調整が図られている。また、蛍光体として（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋を用いる場合は、Ｓｒの含有量を多くすることによりピーク波長を長波長側にシフトさせることができる。
さらに、蛍光部材４として、例えば、α−サイアロン：Ｅｕ２＋、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋等を用いてもよい。これらの蛍光体の波長変換光は、黄色の蛍光体であるＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋等に比して赤色成分が多く、本実施形態の発光装置１に好適である。
以上のように構成された発光装置１では、ＬＥＤチップ２の青色発光層２４ａから発せられた青色光と、緑色発光層２４ｂから発せられた緑色光と、青色光による励起により蛍光体から発せられた波長変換光と、の組み合わせにより白色光が得られる。このようにして得られた白色光は、図４に示すように、青色光のピーク波長と、波長変換光のピーク波長に加え、緑色光のピーク波長を有し、従来よりもブロードな発光スペクトル特性となる。本実施形態においては、青色光のピーク波長は４５５ｎｍであり、緑色光のピーク波長は５２５ｎｍであり、波長変換光のピーク波長は５９５ｎｍとなっている。
また、眼の視感度の高い緑色領域での発光量が多くなるため、良好なホワイトバランスを得ることができる。さらに、緑色発光層２４ｂから発せられた緑色光が波長変換等されることなく取り出されるので発光効率が良い。また、緑色発光層２４ｂから発せられた緑色光が波長変換等されることなく取り出されるので発光効率が良い。また、緑色領域をカバーするよう波長変換する必要がないことから、蛍光体が受け持つ波長領域を小さくすることができ、実用に際して極めて有利である。
このように、本実施形態の発光装置１によれば、白色光は、青色光のピーク波長と、波長変換光のピーク波長に加え、緑色光のピーク波長を有し、従来よりも色再現性を向上させることができる。また、眼の視感度の高い緑色領域での発光量が多くなるため、良好なホワイトバランスを得ることができる。さらに、緑色発光層２４ｂから発せられた緑色光が波長変換等されることなく取り出されるのでエネルギーのロスを低減することができる。
また、本実施形態の発光装置１によれば、ＬＥＤチップ２がフェイスアップ実装されることから、ＬＥＤチップ２の成長基板２１と反対側から主に光が取り出される。そして、光の取り出し側から青色発光層２４ａ、緑色発光層２４ｂの順に並ぶことから、青色発光層２４ａから光の取り出し方向へ出射された青色光は、緑色発光層２４ｂを介することなく成長基板２１から素子外部へ出射される。従って、青色発光層２４ａにおける緑色光の吸収率に比して緑色発光層２４ｂにおける青色光の吸収率が高いところ、青色光の大部分を緑色発光層２４ｂを介さずに取り出すことができ、これによっても発光効率が向上する。
さらにまた、用いられる蛍光体が１種類であるので、複数種の蛍光体を用いる従来のように、蛍光体の比重の違いから各蛍光体の封止部材内における沈降度合いがばらつくようなことはない。従って、製造された発光装置ごとに白色光の色成分にばらつきが生じることはない。
さらに、発光素子に良好な結晶を得ることが困難な赤色発光層を形成する必要がないことから実用化が容易である。
さらに、発光素子に良好な結晶を得ることが困難な赤色発光層を形成する必要がないことから実用化が容易である。
尚、前記実施形態においては、表面実装（ＳＭＤ）型の発光装置１について例示したが、例えば、図５に示すように砲弾型の発光装置１０１に本発明を適用してもよい。この発光装置１０１では、ＬＥＤチップ２はリードフレーム１１０に形成されたカップ部１１５に接着剤を用いて搭載されている。ＬＥＤチップ２のｐ電極２８及びｎ電極２９は、それぞれワイヤ１０６，１０７により、リードフレーム１１０，１２０に電気的に接続されている。カップ部１１５の内側には蛍光部材４が充填され、各リードフレーム１１０，１２０とともに各ワイヤ１０６，１０７を封止する封止樹脂１３０に光学形状面が形成される。
また、例えば、図６に示すようにチップオンボード（ＣＯＢ）型の発光装置２０１にも本発明を適用可能である。要は、発光装置は、発光素子としてのＬＥＤチップ２が青色発光層２４ａと緑色発光層２４ｂを有し、蛍光部材４の蛍光体が青色光により励起されて白色光が得られる構成であればよい。
また、前記実施形態においては、フェイスアップ型のＬＥＤチップ２について例示したが、例えば、図７に示すようにフリップチップ型のＬＥＤチップ２を用いてもよい。このＬＥＤチップ２は、成長基板２１上に、バッファ層２２、ｎ型層２３、ＭＱＷ層２４及びｐ型層２５が形成されている。そして、ｐ型電極２８及びｎ型電極２９にそれぞれＡｕバンプ２８ａ，２９ａが設けられている。
この場合、図８に示すように、前記実施形態とは逆に各青色発光層２４ａが各緑色発光層２４ｂよりも成長基板２１側に形成されていることが好ましい。この構成とすることにより、青色光の大部分を緑色発光層２４ｂを介さずに取り出すことができる。
また、前記実施形態においては、緑色光を発する２つの緑色発光層２４ｂがともに同じ波長で発光するものを示したが、各緑色発光層２４ｂが異なる波長で発光するようにしてもよい。これにより、得られる白色光がよりブロードな発光スペクトルを有することとなる。この場合、発光波長が長い緑色発光層２４ｂを、発光波長が短い緑色発光層２４ｂよりも光取り出し側に配置することがのぞましい。
また、前記実施形態においては、ＭＱＷ層２４のペア数が８のものを示したが、ＭＱＷ層２４に青色光を発する青色発光層２４ａ及び緑色光を発する緑色発光層２４ｂが含まれていればペア数は任意である。青色発光層２４ａ及び緑色発光層２４ｂの発光波長及び発光強度比、蛍光体の分散量、ＭＱＷ層２４内における青色発光層２４ａ及び緑色発光層２４ｂの位置等は、色度図上で所望の色度となるよう適宜変更される。
また、前記実施形態においては、基板５がセラミックからなるものを示したが、樹脂等からなるものであってもよい。また、ケース４の形状、材質についても適宜に変更であるし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
１ 発光装置
２ ＬＥＤチップ
３ ケース
３ａ リフレクタ
４ 蛍光部材
５ 基板
６ ワイヤ
７ ワイヤ
８ 接着剤
２１ 成長基板
２２ バッファ層
２３ ｎ型層
２４ ＭＱＷ層
２４ａ 青色発光層
２４ｂ 緑色発光層
２４ｃ バリア層
２５ ｐ型層
２７ 透光性電極
２８ ｐ電極
２９ ｎ電極
５１ リード電極
５２ リード電極
１０１ 発光装置
１０６ ワイヤ
１０７ ワイヤ
１１０ リードフレーム
１１５ カップ部
１２０ リードフレーム
１３０ 封止樹脂
２０１ 発光装置
２ ＬＥＤチップ
３ ケース
３ａ リフレクタ
４ 蛍光部材
５ 基板
６ ワイヤ
７ ワイヤ
８ 接着剤
２１ 成長基板
２２ バッファ層
２３ ｎ型層
２４ ＭＱＷ層
２４ａ 青色発光層
２４ｂ 緑色発光層
２４ｃ バリア層
２５ ｐ型層
２７ 透光性電極
２８ ｐ電極
２９ ｎ電極
５１ リード電極
５２ リード電極
１０１ 発光装置
１０６ ワイヤ
１０７ ワイヤ
１１０ リードフレーム
１１５ カップ部
１２０ リードフレーム
１３０ 封止樹脂
２０１ 発光装置
Claims (7)
- 青色領域と緑色領域にそれぞれピーク波長を有する光を出射する発光素子と、
前記青色領域にピーク波長を有する光を受けて黄色領域から赤色領域の発光スペクトルを有する波長変換光を出射する蛍光体と、を備えたことを特徴とする発光装置。 - 前記発光素子は、前記青色領域にピーク波長を有する光を発する青色発光層と、前記緑色領域にピーク波長を有する光を発する緑色発光層と、を有するIII族窒化物系半導体であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光素子は、フリップチップ実装されるものであり、前記青色発光層が前記緑色発光層よりも成長基板側に形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
- 前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の短い順に並べられることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
- 前記発光素子は、フェイスアップ実装されるものであり、前記緑色発光層が前記青色発光層よりも成長基板側に形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
- 前記青色発光層と前記緑色発光層の少なくとも一方は、異なる発光波長となるよう複数形成され、前記成長基板側から発光波長の長い順に並べられることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
- 前記青色領域のピーク波長は４４０〜４７０ｎｍであり、
前記緑色領域のピーク波長は５００〜５５０ｎｍであり、
前記波長変換光のピーク波長は５７０〜６２０ｎｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光装置。
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- 2006-06-19 JP JP2006168710A patent/JP2007335799A/ja active Pending
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