JP2009038260A

JP2009038260A - 発光素子

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Publication number: JP2009038260A
Application number: JP2007202315A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 貴裕松本; Yuji Naito; 裕治内藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP5046206B2

Abstract

【課題】光源となる発光ダイオードの発光光と異なる波長の光を放射することができる発光素子を提供する。
【解決手段】発光ダイオード２の発光面を被覆する金属被覆層３と、蛍光体層４とを備える。金属被覆層３は、発光ダイオード２の発光光の透過を妨げる厚さを備えると共に、該発光ダイオード２の発光光５により表面プラズモン光を発生する。蛍光体層４は、金属被覆層３表面に励起された該表面プラズモン光により励起されて、発光ダイオード２の発光光と異なる波長の光線を放射する。蛍光体は、２光子蛍光体である。金属被覆層３ａは、発光ダイオード２の発光光の波長より小さな直径を備え、規則性を持って配列された孔部６を備える。発光ダイオードは赤色発光ダイオード２であり、２光子蛍光体層４は青色乃至緑色光を放射する。発光ダイオードは青色発光ダイオード１２であり、２光子蛍光体層１４は紫外光を放射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いる発光素子に関する。

従来、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いる青色発光ダイオードが知られている（例えば特許文献１参照）。

前記青色発光ダイオードは、例えば、サファイア基板上にＡｌＮからなるバッファ層、ｎ−ＧａＮからなる第１のクラッド層、ＩｎＧａＮからなる発光層、ｐ−ＧａＮからなる第１のクラッド層がこの順に積層された構成を備える。前記青色発光ダイオードによれば、高輝度の青色光を発することができ、各種半導体発光デバイスに用いることができる。

しかしながら、前記青色発光ダイオードは、前記窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル単結晶成長に適した基板が存在せず、一般には前述のようにサファイアを基板に用いるために、高価にならざるを得ない。また、前記サファイアを基板に用いる青色発光ダイオードは、高出力時に発熱するという不都合もある。

また、従来、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体を用いる紫外発光ダイオードが知られている（例えば特許文献２参照）。

前記紫外発光ダイオードは、例えば、半導体または絶縁体からなる基板上にアンドープＡｌＮ層、ｎ−ＡｌＮ層、ｐ−ＡｌＮ層がこの順に積層された構成を備える。前記紫外発光ダイオードによれば、ＡｌＮが直接遷移型のバンド構造であり、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶであることにより、発光波長２００ｎｍ付近で発光が可能であるとされている。

しかしながら、前記紫外発光ダイオードは、出力が低い上、発光効率も１０^−４ｌｍ／Ｗと低く、さらにＡｌＮ層、ｎ−ＡｌＮ層、ｐ−ＡｌＮ層が不均一であるために、発光スペクトルが場所によって異なるという不都合がある。
特開平１０−８４１３３号公報特開２００６−６６５５６号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、発光ダイオードを光源とし、該発光ダイオードの発光光と異なる波長の光を放射することができる発光素子を提供することを目的とする。

また、本発明の目的は、前記発光ダイオードの発光光より短波長の光を放射することができる発光素子を提供すること
また、本発明の目的は、安価な青色発光素子を提供することにもある。

さらに、本発明の目的は、発光効率の高い紫外発光素子を提供することにもある。

かかる目的を達成するために、本発明の発光素子は、光源となる発光ダイオードの発光面を被覆する金属被覆層と、該金属被覆層に積層された蛍光体層とを備える発光素子において、該金属被覆層は、該発光ダイオードの発光光の透過を妨げる厚さを備えると共に、該発光ダイオードの発光光により表面プラズモン光を発生し、該蛍光体層は、該金属被覆層表面に励起された該表面プラズモン光により励起されて、該発光ダイオードの発光光と異なる波長の光線を放射することを特徴とする。

本発明の発光素子によれば、まず、前記発光ダイオードの発光光により、該金属被覆層表面に表面プラズモン光が励起される。前記表面プラズモン光は、金属表面において電界強度増大効果を備えているので、入射光である前記発光ダイオードの発光光より光強度が増大した形で存在する。この結果、強度が増大された前記発光ダイオードの発光光が前記蛍光体層に入射する。

前記発光ダイオードの発光光は、前記のように前記表面プラズモン光により強度が増大されているので、前記蛍光体を励起する。この結果、前記蛍光体は、励起状態から基底状態に遷移する際に、前記発光ダイオードの発光光と異なる波長の光線を放出することができる。

一方、前記金属被覆層は、前記発光ダイオードの発光光の透過を妨げる厚さを備えている。従って、本発明の発光素子によれば、前記蛍光体により放出される光線に前記発光ダイオードの発光光が混入することを防止して、該発光ダイオードの発光光と異なる波長の光線のみを蛍光体層より放射することができる。

前記蛍光体層は、前記表面プラズモン光により強度が増大された前記発光ダイオードの発光光により励起されるものであればどのようなものであってもよく、例えば２光子蛍光体を用いることができる。前記２光子蛍光体は、アップコンバージョン蛍光体とも呼ばれるものであり、例えば、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｔｍ等の希土類金属のイオンを含むガラスからなる。前記２光子蛍光体によれば、入射光により励起されたイオンが励起状態にあるときに連続的に入射光を吸収してさらに高いエネルギー準位に励起（多段階励起）された後、基底状態に遷移する際に、入射光より短波長、高エネルギーの光を放出する。

本発明において、前記発光ダイオードの発光光は、前記のように前記表面プラズモン光により強度が増大されているので、前記２光子蛍光体に含まれる前記希土類金属のイオンを多段階励起させることができる。この結果、前記本発明の発光素子は、入射光である前記発光ダイオードの発光光より短波長の光を放出することができる。

表面プラズモン光の励起方法として、プリズム表面に金属被覆層を形成する全反射減衰法が知られているが、この他に、グレーティング結合法、ナイフエッジ法等が存在する。ここでは、一番簡単に表面プラズモン光を励起可能な全反射減衰法を例にとって説明をおこなう。平行光束にしたＬＥＤまたはＬＤ光を、例えば頂角９０°のプリズムに導く。このとき、光が略全反射する大きな角度（例えば４５°）で光を反射させる。全反射している角度の中で、図６に示すように角度を挿引させると、光の反射が略０％まで落ち込む角度が存在し、この角度において金属被覆層表面に表面プラズモン光を励起することが可能となる。図６においては、４４°の角度近傍に反射率が減衰する鋭いディップが存在し、この角度において、金属被覆層表面に表面プラズモン光が励起されたことを示している。

また、前記金属被覆層は、前記発光ダイオードの発光光の波長より小さな直径を備え、規則性を持って配列された孔部を備えるものであってもよい。前記金属被覆層が前記発光ダイオードの発光光の波長より小さな直径を備える孔部を規則性を持って配列させたものであるときには、該孔部にエバネッセント光が発生する。前記孔部に発生するエバネッセント光は、１つの孔部に発生したエバネッセント光が該孔部の配列の規則性に従って、次々に隣接する孔部に伝播することによって強度が増大される。従って、前記金属被覆層が前記孔部を規則性を持って配列させたものであるときには、強度が増大されたエバネッセント光により、該金属被覆層の表面に前記表面プラズモン光を容易に励起させることができる。

本発明の発光素子において、前記発光ダイオードが赤色発光ダイオードであるときには、前記２光子蛍光体層から青色乃至緑色の発光を得ることができる。また、本発明の発光素子において、前記発光ダイオードは青色発光ダイオードであるときには、前記２光子蛍光体層から紫外発光を得ることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の発光素子の第１の態様を示す説明的断面図であり、図２は表面プラズモン光による電界強度増大効果を示す図である。また、図３（ａ）は図１に示す発光素子の変形例を示す説明的断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。また、図４は本実施形態の発光素子の第２の態様を示す説明的断面図であり、図５（ａ）は図４に示す発光素子の変形例を示す説明的断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ線断面図である。

まず、本実施形態の発光素子の第１の態様について説明する。

図１に示すように、本実施形態の発光素子１ａは、赤色発光ダイオード２と、赤色発光ダイオード２の発光面の全面を被覆する金属被覆層３と、金属被覆層３の全面を被覆する２光子蛍光体層４とを備えている。

赤色発光ダイオード２としては、例えば、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いるものであって、それ自体公知の構成を備えるものを挙げることができる。

金属被覆層３としては、例えば、Ａｕ，Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属からなるものを挙げることができる。金属被覆層３は、前記金属を赤色発光ダイオード２の表面に蒸着することにより形成することができる。金属被覆層３は、赤色発光ダイオード２の発光光を透過させない厚さを備えることが必要であり、１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに形成される。金属被覆層３の厚さが１０ｎｍ未満では赤色発光ダイオード２の発光光が透過してしまう。また、金属被覆層３の厚さが１０μｍを超えると表面プラズモン光を励起することができない。

尚、金属被覆層３の形成に当たっては、赤色発光ダイオード２と金属被覆層３との密着性を高めるために、赤色発光ダイオード２の表面にＣｒ等の金属を蒸着し、該金属層（図示せず）の上に金属被覆層３を形成するようにしてもよい。前記Ｃｒ等の金属層は、例えば１〜２ｎｍ程度の厚さに形成される。

２光子蛍光体層４としては、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｔｍ等の希土類金属のイオンを含むガラスを挙げることができる。

発光素子１ａによれば、赤色発光ダイオード２の発光光は全て金属被覆層３に入射するが、このとき一部の前記発光光は金属被覆層３により全反射される条件を備えている。全反射される光の中で、ある角度を有する光が共鳴的に吸収を起こし、表面プラズモン光が励起される。前記表面プラズモン光は、図２に示すように、電界強度増大効果を備えているので、入射光である赤色発光ダイオード２の発光光の強度を増大する。図２は、プリズムＡに入射する発光ダイオードの発光光（波長６３２．８ｎｍ）の入射電界強度を１とすると、厚さ５０ｎｍのＡｇ被覆層Ｂ表面ではおよそ２０倍に電界強度が増大している様子を示している。

上記のように、前記表面プラズモン光によれば、金属表面での電界強度が２０倍程度に増大される。入射光強度は電界強度の二乗となるので、入射光である赤色発光ダイオード２の発光光の強度は４００倍程度に増大され、このように強度が増大された赤色発光ダイオード２の発光光が２光子蛍光体層４に入射する。

このとき、赤色発光ダイオード２の発光光は前記のように強度が４００倍程度に増大されているので、２光子蛍光体４に含まれる希土類金属イオンを１．６×１０^５倍効率良く（効率は強度の二乗に比例するため）、多段階励起することができ、該希土類金属イオンが励起状態から基底状態に遷移する際に、赤色発光ダイオード２の発光光である赤色光よりも短波長の青色乃至緑色の蛍光が放射される。一方、金属被覆層３は、赤色発光ダイオード２の発光光を透過させないので、発光素子１ａからは、前記青色乃至緑色の蛍光のみが放射される。

前記蛍光の発光効率は、赤色発光ダイオード２本来の発光光により得られる蛍光に対して、１０^４〜１０^６倍であり、発光素子１ａによれば、赤色発光ダイオード２を用いて効率よく青色乃至緑色の発光を得ることができる。

次に、図３（ａ）に示す発光素子１ｂは、図１に示す発光素子１ａの変形例であり、赤色発光ダイオード２の発光面に金属被覆層３ａを備えることを除いて、発光素子１ａと全く同一の構成を備えている。

金属被覆層３ａは、図３（ｂ）にその断面を示すように、規則性を持って配列された孔部６を備えており、孔部６は赤色発光ダイオード２の発光光の波長より小さい直径を備えている。孔部６の直径は、赤色発光ダイオード２の発光光の波長を例えば６００ｎｍとすれば、例えば２００〜３００ｎｍの範囲である。尚、孔部６の配列は規則性を備えるものであればよく、例えば、１μｍ間隔で格子状に配列される。

金属被覆層３ａは、Ａｕ，Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属を、赤色発光ダイオード２の表面に１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに蒸着することにより図１に示す金属被覆層３を形成した後、金属被覆層３にフォトリソ・エッチング等により孔部６を形成することにより得ることができる。

発光素子１ｂによれば、赤色発光ダイオード２の発光光は全て金属被覆層３ａに入射するが、このとき一部の前記発光光は孔部６に入射する。孔部６の直径は、赤色発光ダイオード２の発光光の波長より小さいので、孔部６に入射した前記発光光は孔部６の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。

また、孔部６の１つに発生したエバネッセント光は、図３（ｂ）に矢示するように、孔部６の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部６に伝播することによって互いに干渉し合い強度が増大される。この結果、前記強度が増大されたエバネッセント光により金属被覆層３ａの表面に表面プラズモン光が容易に励起される。

この結果、発光素子１ｂでは、発光素子１ａと同一の作用により前記青色乃至緑色の蛍光が放射される。

次に、本実施形態の発光素子の第２の態様について説明する。

図４に示すように、本実施形態の発光素子１１ａは、青色発光ダイオード１２と、青色発光ダイオード１２の発光面の全面を被覆する金属被覆層１３と、金属被覆層１３の全面を被覆する２光子蛍光体層１４とを備えている。

青色発光ダイオード１２としては、例えば、ＩｎＧａＮ系化合物半導体を用いるものであって、それ自体公知の構成を備えるものを挙げることができる。

金属被覆層１３としては、例えば、Ａｕ，Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属からなるものを挙げることができる。金属被覆層１３は、前記金属を青色発光ダイオード１２の表面に蒸着することにより形成することができる。金属被覆層１３は、青色発光ダイオード１２の発光光を透過させない厚さを備えることが必要であり、１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに形成される。金属被覆層１３の厚さが１０ｎｍ未満では青色発光ダイオード１２の発光光が透過してしまう。また、金属被覆層１３の厚さが１０μｍを超えると表面プラズモン光を励起することができない。

尚、金属被覆層１３の形成に当たっては、青色発光ダイオード１２と金属被覆層１３との密着性を高めるために、青色発光ダイオード１２の表面にＣｒ等の金属を蒸着し、該金属層（図示せず）の上に金属被覆層１３を形成するようにしてもよい。前記Ｃｒ等の金属層は、例えば１〜２ｎｍ程度の厚さに形成される。

２光子蛍光体層１４としては、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｔｍ等の希土類金属のイオンを含むガラスを挙げることができる。

発光素子１１ａによれば、青色発光ダイオード１２の発光光は全て金属被覆層３に入射するが、このとき一部の前記発光光は金属被覆層１３により全反射される条件を備えている。全反射される光の中で、ある角度を有する光が共鳴的に吸収を起こし、表面プラズモン光が励起される。前記表面プラズモン光は、図２に示すように、電界強度増大効果を備えているので、入射光である青色発光ダイオード１２の発光光の強度を増大する。

前記表面プラズモン光によれば、例えば、電界強度が２０倍程度に増大される。入射光強度は電界強度の二乗となるので、入射光である青色発光ダイオード１２の発光光の強度は４００倍程度に増大され、このように強度が増大された青色発光ダイオード１２の発光光が２光子蛍光体層１４に入射する。

このとき、青色発光ダイオード１２の発光光は前記のように強度が４００倍程度に増大されているので、２光子蛍光体１４に含まれる希土類金属イオンを１．６×１０^５倍効率良く（効率は強度の二乗に比例するため）、多段階励起することができ、該希土類金属イオンが励起状態から基底状態に遷移する際に、青色発光ダイオード１２の発光光である青色光よりも短波長の紫外の蛍光が放射される。一方、金属被覆層１３は、青色発光ダイオード１２の発光光を透過させないので、発光素子１１ａからは、前記紫外の蛍光のみが放射される。

前記蛍光の発光効率は、青色発光ダイオード１２本来の発光光により得られる蛍光に対して、１０^４〜１０^６倍であり、発光素子１１ａによれば、青色発光ダイオード１２を用いて効率よく紫外の発光を得ることができる。従って、発光素子１１ａは、ＵＶランプ或いは水銀灯の代替となることが期待される。

次に、図４（ａ）に示す発光素子１１ｂは、図３に示す発光素子１１ａの変形例であり、青色発光ダイオード１２の発光面に金属被覆層１３ａを備えることを除いて、発光素子１１ａと全く同一の構成を備えている。

金属被覆層１３ａは、図４（ｂ）にその断面を示すように、規則性を持って配列された孔部１６を備えており、孔部１６は青色発光ダイオード１２の発光光の波長より小さい直径を備えている。孔部１６の直径は、青色発光ダイオード１２の発光光の波長を例えば４００ｎｍとすれば、例えば１００〜２００ｎｍの範囲である。尚、孔部１６の配列は規則性を備えるものであればよく、例えば、１μｍ間隔で格子状に配列される。

金属被覆層１３ａは、Ａｕ，Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属を、青色発光ダイオード１２の表面に１０ｎｍ〜１０μｍの厚さに蒸着することにより図３に示す金属被覆層１３を形成した後、金属被覆層１３にフォトリソ・エッチング等により孔部１６を形成することにより得ることができる。

発光素子１１ｂによれば、青色発光ダイオード１２の発光光は全て金属被覆層１３ａに入射するが、このとき一部の前記発光光は孔部１６に入射する。孔部１６の直径は、青色発光ダイオード１２の発光光の波長より小さいので、孔部１６に入射した前記発光光は孔部１６の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。

また、孔部１６の１つに発生したエバネッセント光は、図４（ｂ）に矢示するように、孔部１６の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部１６に伝播することによって互いに干渉し合い強度が増大される。この結果、前記強度が増大されたエバネッセント光により金属被覆層１３ａの表面に表面プラズモン光が容易に励起される。

この結果、発光素子１１ｂでは、発光素子１１ａと同一の作用により前記紫外の蛍光が放射される。

本発明の発光素子の第１の態様を示す説明的断面図。表面プラズモン光による電界強度増大効果を示す図。（ａ）は図１に示す発光素子の変形例を示す説明的断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。本発明の発光素子の第２の態様を示す説明的断面図。（ａ）は図４に示す発光素子の変形例を示す説明的断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ線断面図。全反射している光が金属被覆層表面に表面プラズモン光を励起する入射角を示す図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…発光素子、２…赤色発光ダイオード、３，３ａ…金属被覆層、４…２光子蛍光体層、６…孔部、１１ａ，１１ｂ…発光素子、１２…青色発光ダイオード、１３，１３ａ…金属被覆層、１４…２光子蛍光体層、１６…孔部。

Claims

光源となる発光ダイオードの発光面を被覆する金属被覆層と、該金属被覆層に積層された蛍光体層とを備える発光素子において、
該金属被覆層は、該発光ダイオードの発光光の透過を妨げる厚さを備えると共に、該発光ダイオードの発光光により表面プラズモン光を発生し、
該蛍光体層は、該金属被覆層表面に励起された該表面プラズモン光により励起されて、該発光ダイオードの発光光と異なる波長の光線を放射することを特徴とする発光素子。
前記蛍光体は、２光子蛍光体であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記金属被覆層は、前記発光ダイオードの発光光の波長より小さな直径を備え、規則性を持って配列された孔部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光素子。
前記発光ダイオードは赤色発光ダイオードであり、前記２光子蛍光体層は青色乃至緑色光を放射することを特徴とする請求項２または請求項３項記載の発光素子。
前記発光ダイオードは青色発光ダイオードであり、前記２光子蛍光体層は紫外光を放射することを特徴とする請求項２または請求項３記載の発光素子。