JP2011176045A - 積層型半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で発熱が少なく、しかも所望の波長帯の出射光が高強度で安定して得られる積層型半導体発光素子を提供する。
【解決手段】それぞれ発光ダイオードを構成する第１の発光素子部３０、第２の発光素子部２０、第３の発光素子部１０が中心発光波長の長い順に下層から配置され、上層に配置された発光素子部は下層に配置された発光素子部の発光光に対する透光性をそれぞれ有し、第１の発光素子部３０と第２の発光素子部２０との間に配置された第１光学機能層４２と、第２の発光素子部２０と第３の発光素子部１０との間に配置された第２光学機能層４１は、下層側の発光素子部の発光光を上方に透過させるとともに上層側の発光素子部の発光光を上方に反射する光学特性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いて構成される積層型半導体発光素子に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は、赤色、緑色、青色等の様々な波長で発光する素子が安定して得られるようになり、そのため、複数の波長の発光ダイオードを組み合わせて使用することで白色を始めとする任意色の光が容易に得られるようになった。また、発光ダイオードの高出力化も可能になったため、高輝度の白色光を必要とする照明等の用途にも発光ダイオードが利用されつつある。
発光ダイオードを組み合わせる形態としては、複数の発光ダイオード素子を基板上で接続する等の部品単位の組み合わせ構成例が多いが、互いに異なる波長で発光する複数の発光ダイオードを積層した積層型半導体発光素子の技術も知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−９５８４４号公報

上記のような赤色発光ダイオードと、緑色発光ダイオードと、青色発光ダイオードとをそれらの厚み方向に積層して一体化した積層型半導体発光素子は、各発光ダイオードの層からの発光光を合成した光を出射する。しかし、積層された上層の発光ダイオードからの光は発光素子の光出射側とは反対側となる下層側の発光ダイオードに向けても出射されるので、光利用効率が低下する。また、積層された下層の発光ダイオードからの光は、上層の発光ダイオードの層を通過して発光素子表面から出射されるので、発光光の一部が反射又は吸収される等して減衰し、出射光量が低下する。そこで、十分な光量を得るためには、各色の発光ダイオードに、より大きな電気エネルギを供給せざるを得なくなり、発光素子の発熱の増大を招き、温度変化に伴って出射光のスペクトルに変化が生じることになる。また、過度な温度上昇を避けるために十分な放熱対策を行う必要が生じ、素子サイズを増大させる要因になる。
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、小型で発熱が少なく、しかも所望の波長帯の光が高強度で安定して得られる積層型半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
それぞれ発光ダイオードを構成する第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部が各発光素子の厚み方向にこの順で積層され、最上層の前記第３の発光素子部の上面から光を出射する積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部は、中心発光波長の長い順に下層から配置され、上層に配置された前記発光素子部は下層に配置された前記発光素子部の発光光に対する透光性をそれぞれ有し、
前記第１の発光素子部と前記第２の発光素子部との間に第１光学機能層、前記第２の発光素子部と前記第３の発光素子部との間に第２光学機能層が配置され、
前記第１光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光を透過し、前記第２の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有し、
前記第２光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光及び第２の発光素子部の発光光を透過し、前記第３の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有する積層型半導体発光素子。

本発明の積層型半導体発光素子によれば、小型で発熱が少なく、しかも所望の波長帯の出射光を高強度で安定して得ることができる。

本発明の実施形態を説明する図で、積層型半導体発光素子の構成例を示す断面図である。 青色発光素子部、緑色発光素子部、赤色発光素子部のそれぞれの箇所で発生する光の各波長成分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とそれらの光路の概要を示す説明図である。 光学機能層のＢ反射層の一構成例を示す概略的な断面図である。 図３に示したＢ反射層の分光反射特性の具体例を示すグラフである。 上側光学機能層の光路選択層の一構成例を示す概略的な断面図である。 支持部材を備えた積層型半導体発光素子の一例を示す概略的な構成図である。 青色、緑色、赤色の各発光素子部に更に他の色の発光素子部を積層して構成した積層型半導体発光素子の概略構成図である。 青色、緑色、赤色の各発光素子部に更に他の色の発光素子部を積層して構成した積層型半導体発光素子の概略構成図である。 各発光素子部の発光面のサイズを光出射側ほど広くして積層した積層型半導体発光素子の概略構成図である。 積層型半導体発光素子を蛍光体によりモールドした場合の概略的な構成図である。 出射光のスペクトルを示すグラフである。 積層型半導体発光素子を蛍光体によりモールド成形した場合の概略的な構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、積層型半導体発光素子の構成例を示す断面図である。
この積層型半導体発光素子１００は、それぞれ発光ダイオードを構成する青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０が各発光素子の厚み方向にこの順で積層され、最上層の青色発光素子部１０の上面側が光出射面となる。青色発光素子部１０の発光ダイオードは青（Ｂ）色、緑色発光素子部２０の発光ダイオードは緑（Ｇ）色、赤色発光素子部３０の発光ダイオードは赤（Ｒ）色の波長帯でそれぞれ発光して、各発光光により出射光が生成される。

青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０は、発光波長の長い順に各層の厚み方向（Ｚ軸方向：光の出射軸方向）に下層から配置されている。即ち、発光波長が最も長い赤色発光素子部３０が最下層に配置され、次に赤色よりも発光波長が短い緑色発光素子部２０が赤色発光素子部３０の上方に配置され、次に発光波長が短い青色発光素子部１０が緑色発光素子部２０の上方に配置されている。ここで、本明細書では「上方」を積層型半導体発光素子の光出射方向、「下方」をその反対方向を指すものとする。

上側光学機能層４１は、青色発光素子部１０の下面と緑色発光素子部２０の上面との間に配置されており、下側光学機能層４２は、緑色発光素子部２０の下面と赤色発光素子部３０の上面との間に配置されている。

上側光学機能層４１は、青色の波長帯の光に対して高い反射率を有し、Ｒ，Ｇ色の波長帯の光に対しては反射率が低く、光を透過する特性を有する。また、下側光学機能層４２は、Ｇ色の波長帯の光に対して高い反射率を有し、Ｒ色の波長帯の光に対しては反射率が低く、光を透過する光学特性を有する。

この積層型半導体発光素子１００は、Ｂ，Ｇ，Ｒ色の各波長帯の光を矢印Ａ方向に向けて出射する。各発光素子部からの発光光が透過するように、少なくとも上層側となる青色発光素子部１０及び緑色発光素子部２０については、下層側の発光素子部からの発光光を透過させる材料を用いて構成してある。

また、上記構成の積層型半導体発光素子１００を製造する際は、基板上に上記各層を順次形成する以外にも、予め青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の各デバイスを個別に所定の半導体製造プロセスで作成した後、これらを上側光学機能層４１、下側光学機能層４２と接着して一体化する等、適宜な工程で製造できる。

次に、各色発光素子部１０，２０，３０の発光ダイオードを形成する具体的な層構成例について説明する。
図１に示すように、青色発光素子部１０は、青色ｐ側透明電極１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、ｐ型ＩｎＧａＮ層１３、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、青色ｎ側電極１６、ＧａＮバッファ層１７、及びサファイア絶縁基板１８を有する。

青色ｐ側透明電極１１は、青色発光素子部１０に正電位を印加する透明電極である。青色ｎ側電極１６は、青色発光素子部１０に負電位を印加する電極である。この青色ｎ側電極１６は、ｎ型ＧａＮ層１５中の光路を外れた領域に配置されるように、ｎ型ＧａＮ層１５の側方に突出した部位の上面に配置してある。

これらの各電極は、透明導電膜を用いて構成されている。透明導電膜としては、例えばインジウムスズ酸化膜（ＩＴＯ）が用いられ、この他にもＺｎＯ、ＩｎＧａＺｎＯ_４、ＴｉＮｂＯ_２等の透明導電膜を用いることができる。

ここで、ＧａＮ材料を用いた発光ダイオードの電極には、これまでニッケル／金電極が一般的に使用されており、この場合の電極膜は、極薄膜化技術によって発光光であるＢ、Ｇ色光を透過させるように最適化されてきた。しかし、依然としてＲ色光の反射率が高く、発光ダイオード全体の透過率を高めることが困難であったが、近年になって各種の透明電極材料が利用できるようになり、Ｂ色光やＧ色光だけでなくＲ色光についても透過率が高い材料を用いた電極の作製が可能になった。そこで、水分や不純物を無くし結晶化度を高め、可視波長域に対する透明度が高く、しかも比較的低温で作製可能なＩＴＯを本積層型半導体発光素子１００の電極膜に用いることで、発光層からの光を高い透過率で出射させ、光の利用効率を高めた構成としている。

ｐ型ＩｎＧａＮ層１３、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｎ型ＧａＮ層１５の領域には、ｐｎ接合によるダイオードが形成され、青色ｐ側透明電極１１と青色ｎ側電極１６との間に順方向に電圧を印加することにより、各層の厚み方向（Ｚ方向）に電流が流れてダイオードの境界のＩｎＧａＮ発光層１４の領域が青色に発光する。

また、青色発光素子部１０には基板としてサファイア絶縁基板１８を用いており、下層の緑色発光素子部２０と赤色発光素子部３０からの光はサファイア絶縁基板１８を透過する。

同様に、緑色発光素子部２０は、緑色ｐ側透明電極２１、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２、ｐ型ＩｎＧａＮ層２３、ＩｎＧａＮ発光層２４、ｎ型ＧａＮ層２５、緑色ｎ側電極２６、ＧａＮバッファ層２７、及びサファイア絶縁基板２８を有している。

緑色ｐ側透明電極２１は、緑色発光素子部２０に正電位を印加する透明電極で、緑色ｎ側電極２６は、緑色発光素子部２０に負電位を印加する電極である。この緑色ｎ側電極２６は、ｎ型ＧａＮ層２５中の光路を外れた領域に配置されるように、ｎ型ＧａＮ層２５の側方に突出した部位の上面に配置してある。

ｐ型ＩｎＧａＮ層２３、ＩｎＧａＮ発光層２４、ｎ型ＧａＮ層２５の領域には、ｐｎ接合によるダイオードが形成され、緑色ｐ側透明電極２１と緑色ｎ側電極２６との間に順方向に電圧を印加することにより、各層の厚み方向（Ｚ方向）にる電流が流れてダイオードの境界のＩｎＧａＮ発光層２４の領域が緑色に発光する。

また、緑色発光素子部２０には基板としてサファイア絶縁基板２８を用いてあり、下層の赤色発光素子部３０からの光はサファイア絶縁基板２８を透過する。

赤色発光素子部３０は、図１に示すように赤色ｐ側透明電極３１、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層３２、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ発光層３３、ｎ型ＧａＰ層３４、ＧａＰバッファ層３５、ｎ型基板３６、及び赤色ｎ側電極３７を有している。

赤色ｐ側透明電極３１は、発光ダイオードである赤色発光素子部３０に正電位を印加する透明電極であり、赤色ｎ側電極３７は、赤色発光素子部３０に負電位を印加する電極である。この赤色ｎ側電極３７はｎ型基板３６下面の導電性を有する金属層で形成することで、下側に向かう赤色光を上側に反射する反射層とすることができる。また、赤色ｎ側電極３７を透明電極として、更に下層に赤色光を反射するＡｇコート層等の反射層を設けた構成としてもよい。

この赤色発光素子部３０においても、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層３２、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ発光層３３、ｎ型ＧａＰ層３４の領域には、ｐｎ接合によるダイオードが形成され、赤色ｐ側透明電極３１と赤色ｎ側電極３７との間に順方向に電圧を印加することにより、各層の厚み方向（Ｚ方向）に電流が流れダイオードの境界のｐ型ＡｌＩｎＧａＰ発光層３３の領域がＲ色に発光する。

ｎ型基板３６は透明な材料で構成されているが、この基板の材料としてＧａＡｓを用いる場合は、ＧａＡｓが赤色光を吸収する特性を有するため発光効率が低下する。そこで、ＧａＡｓ基板上に各層を製膜した後に、ＧａＰ等の透明基板を接着してＧａＡｓ基板をリフトオフにより分離して除去するとよい。

青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０のそれぞれの箇所で発生する光の各波長成分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とそれらの光路の概要を図２に示した。

上側光学機能層４１は、青色光を反射するＢ反射層４１ａと、入射光の光路を揃えて出射させる偏向層４１ｂとを有している。また、下側光学機能層４２は、緑色光を反射するＧ反射層４２ａと、上記同様の偏向層４２ｂとを有している。

青色発光素子部１０のＩｎＧａＮ発光層１４（図１参照）で発生するＢ色の発光光の大部分は、Ｚ軸方向に沿うように、図２における上方向及び下方向に向かって出射される。この上方に向かう光成分はそのまま矢印Ａ方向に出射され、下方に向かう光成分は上側光学機能層４１のＢ反射層４１ａで反射され、再び青色発光素子部１０の内部を透過して上方に向かい、矢印Ａ方向に出射される。

また、緑色発光素子部２０のＩｎＧａＮ発光層２４（図１参照）で発生するＧ色の発光光の大部分は、Ｚ軸方向に沿うように、図２における上方向及び下方向に向かって出射される。この上方に向かう光成分は、上側光学機能層４１を透過し、青色発光素子部１０の内部を透過して、積層型半導体発光素子１００から矢印Ａ方向に出射される。また、下方に向かう光成分は、下側光学機能層４２のＧ反射層４２ａで反射し、再び緑色発光素子部２０の内部を透過し、更に上側光学機能層４１を透過し、青色発光素子部１０の内部を透過して、積層型半導体発光素子１００から矢印Ａ方向に出射される。

また、赤色発光素子部３０のｐ型ＡｌＩｎＧａＰ発光層３３（図１参照）で発生するＲ色の発光光の大部分は、Ｚ軸方向に沿うように、図２における上方向及び下方向に向かって出射される。この上方に向かう光成分は、下側光学機能層４２を透過し、緑色発光素子部２０の内部を透過し、更に上側光学機能層４１を透過し、青色発光素子部１０の内部を透過して、積層型半導体発光素子１００から矢印Ａ方向に出射される。また、下方に向かう光成分は、赤色ｎ側電極３７の反射面で反射されて上方に向かい、再び赤色発光素子部３０の内部を透過し、下側光学機能層４２を透過し、緑色発光素子部２０の内部を透過し、上側光学機能層４１を透過し、更に青色発光素子部１０の内部を透過して積層型半導体発光素子１００から矢印Ａ方向に出射される。

従って、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の波長成分の光をそれぞれ積層型半導体発光素子１００から矢印Ａ方向に出射することができ、各色の混合比率に応じた白色や任意色の出射光が得られる。しかも、下方へ向かう光成分を上方に反射させる構成としているため、各発光層から発生する光を無駄なく出射光として取り出すことができ、光の利用効率を高められる。これにより、印加する電気エネルギが抑えられ、発光素子の発熱も抑制される。

上記上側光学機能層４１のＢ反射層４１ａの一構成例を図３に、このＢ反射層４１ａの分光反射特性を図４に示した。
図３に示すように、Ｂ反射層４１ａは誘電体多層膜からなり、互いに屈折率の異なるＡｌＯ_３の層とＴｉＯ_２の層とを交互に重ねて形成した多層膜積層体として構成している。

このＢ反射層４１ａは、図４に示すように、Ｂ色の波長帯では光反射率が大きく、他のＧ色やＲ色の波長帯では光反射率が小さくなるように各層の膜厚や屈折率等が設定されている。ここでは、Ｇ色やＲ色の波長帯の光成分は透過し、Ｂ色の波長帯の光成分を選択的に反射するように機能する。

下側光学機能層４２のＧ反射層４２ａについても、Ｂ反射層４１ａと同様に誘電体多層膜で構成できる。但し、Ｇ反射層４２ａについては、Ｇ色の波長帯では光反射率が大きく、Ｒ色の波長帯では光反射率が小さくなるように光学特性を調整する。

なお、上記のＢ反射層４１ａ、Ｇ反射層４２ａは、誘電体多層膜の他にも、例えば透明基板にＡＲ（anti-reflective）コーティングを施した光学機能層等で構成することもできる。ＡＲコーティング層は、薄膜の表面からの反射と基板表面からの反射との間で相殺的な干渉が起こることで光の反射を減少させる。この光の干渉には波長依存性があり、例えば膜厚を変更することにより、Ｂ反射層４１ａに対して図４に示す分光反射特性のようにＢ色の波長帯の反射率を選択的に高めることが可能となる。また、Ｇ反射層４２ａのＧ色の波長帯の反射率についても同様である。

また、上記の誘電体多層膜の代わりに偏光ビームスプリッタを用いた構成にすることもできる。その場合には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ単一量子井戸を活性層とした発光ダイオードを用い、ＧａＮ結晶のｃ面に垂直なm面と呼ばれる非極性面を結晶成長面とすることで、このｍ面から強い偏光を出射させる構成とする。この構成によれば、偏光を直接出射する発光ダイオードとなり、発光ダイオードの発光光率を高められ、しかも、光の利用効率をより向上することができる。

次に、上側光学機能層４１及び下側光学機能層４２の偏向層４１ｂ及び４２ｂについて説明する。
図２に示す偏向層４１ｂ、４２ｂは、光学機能層の層面に対する垂直方向から傾斜する入射光を略垂直方向に偏向させる機能を有している。

図５に偏向層４１ｂ、４２ｂの具体的な構成例を示した。
偏向層４１ｂ、４２ｂは、断面が山形の複数のプリズム部が並設された凹凸表面形状の入射面を有するプリズムシートであり、この入射面から入射した光は、山形のプリズムによる屈折によって光学機能層の層面の略垂直方向へ向けて出射される。これにより、発光素子部から上方に向けて斜めに入射する光成分が垂直方向に偏向されて出射されて、上層へ向かう光の透過率が向上するため、高強度の出射光を生成することができる。

なお、プリズム部の形状としては、長尺の三角プリズムが平行に複数列配設された三角プリズムシート、角錐状又は円錐状の凸部が複数配置されたプリズムシート等、適宜な形状のものを採用できる。

偏向層４１ｂ及び偏向層４２ｂは、これらを省略して構成を簡単化することもできる。その場合、発光ダイオードの半導体層としてＧａＮ層、電極層としてＩＴＯ層、保護膜として樹脂層を配置して、各層の屈折率をそれぞれ異ならせ、層界面で全反射を生じさせる。すると、発光層から発光ダイオード表面へ所定角度斜めから入射する発光成分は、全反射により発光層側に戻されて再利用されることになる。

次に、積層型半導体発光素子の他の構成例を説明する。
上述した積層型半導体発光素子１００は、各層の電極へ電力を供給することで発光して光が出射されるようになるが、同時に発熱も生じる。この発熱は発光素子の発光特性を変化させる要因となるので、過度な発熱を防止するための熱拡散手段を設けることが好ましい。

図６は支持部材を備えた積層型半導体発光素子の一例を示す概略的な構成図である。この積層型半導体発光素子１００Ａにおいては、各発光素子部１０，２０，３０の積層体の側面に支持部材６０が密着して配置されている。支持部材６０は、積層型半導体発光素子１００Ａを実装する基板等に固定することを容易にすると共に、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の通電によって生じる発熱を拡散して、各発光素子部の温度上昇を抑制する伝熱部材（ヒートシンク）として機能する。

具体的には、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０を積層した略四角柱状の構造体（柱状体と称する）は、図示はしないが各発光素子部間には前述の上側光学機能層４１と下側光学機能層４２が介装されている。

そして、この柱状体の少なくともいずれかの側面には、各発光素子部とそれぞれ物理的に接触させるように熱抵抗の低い支持部材６０が配置されている。支持部材６０は、アルミ、銅、銀等の熱伝導性の高い金属材料、高熱伝導樹脂材料、高熱伝導性の複合材料等の高伝熱材で構成できる。

また、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の各々の側面には、それぞれコンタクト電極６１，６２，６３，・・・が配置されている。各コンタクト電極はこの積層型半導体発光素子１００Ａが実装された先で、適宜なコネクタを介して電源ラインに接続され、各発光素子部に駆動電力を供給する。

このように、コンタクト電極６１，６２，６３，・・・を柱状体の側面に配置することで、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の各々の大きさを、Ｚ軸と直交する面の矩形の領域（発光面）Ｌ１×Ｌ２が１ｍｍ×１ｍｍ程度のサイズに収めることができる。発光面の面積は、０．５ｍｍ^２以上、１．５ｍｍ^２以下、好ましくは０．８ｍｍ^２以上、１．２ｍｍ^２とするとよく、小さな設置スペースで必要十分な光量を得ることができる。

上記構成によれば、各発光素子部からの発熱が支持部材６０に伝達されて発光素子部の発熱が抑制されることで、発光特性の変化が抑制され、均一なスペクトルで安定した光出射が行える。また、各コンタクト電極６１，６２，６３，・・・へ印加電位を個別に制御することにより、例えば、光量制御や温度補償制御を、発光素子部１０，２０，３０毎に個別に行うことができる。

次に、積層型半導体発光素子の他の構成例について説明する。
図７、図８に上述した青色、緑色、赤色の各発光素子部に更に他の色の発光素子部を積層して構成した積層型半導体発光素子の概略構成図を示した。
図７に示す積層型半導体発光素子１００Ｂは、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の他に、紫色発光素子部５１と赤外発光素子部５２を更に追加して構成してある。

紫色発光素子部５１は、例えば中心波長が４０５ｎｍの紫色光を発光し、また、赤外発光素子部５２は、例えば７８５ｎｍの近赤外光を発光する。この場合の各発光素子部の配置順序は、紫色発光素子部５１が青色発光素子部１０よりも上方に配置され、赤外発光素子部５２は赤色発光素子部３０よりも下方に配置される。つまり、この積層型半導体発光素子１００Ｂにおいても、発光波長が長い順で下層から順次積層してある。つまり、発光波長が短波長ほど、光出射端となる上方に配置される。

また、積層型半導体発光素子１００Ｂにおいても、各発光素子部間には、それぞれ前述の光学機能層が配置される。特に、紫色発光素子部５１と青色発光素子部１０との間には光学機能層が配置され、この光学機能層は紫色光を上方に反射して青色、緑色、赤色光、及び近赤外光を透過させる。また、入射角度の浅い入射光成分は下方に反射して戻すことは前述と同様である。

赤色発光素子部３０と赤外発光素子部５２との間には他の光学機能層が配置され、この光学機能層は、赤色光を上方に反射して近赤外光を透過させる。また、入射角度の浅い入射光成分は下方に反射して戻すことは前述と同様である。

上記構成の積層型半導体発光素子１００Ｂによれば、青色、緑色、赤色光の任意の光量比による光出射によって任意の色調の出射光を生成可能にすると共に、この出射光と同時に又は個別に紫色光、近赤外光を選択的に出射できる。従って、任意の光照射パターンを任意のタイミングで出射させることが可能となり、本発光素子の利用分野を拡大できる。

例えば、この積層型半導体発光素子１００Ｂを内視鏡装置の患部照明用に適用する場合には、白色光による通常観察に加えて、特殊光観察が容易に行えるようになる。つまり、白色光と紫色の狭帯域光を同時に照射して粘膜組織表層の微細血管を強調した観察画像が得られる。また、紫色光のみ照射することで生体からの蛍光を観察する蛍光観察画像が得られる。更に、近赤外光を照射することで、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の薬剤を生体に注入した場合に、造影作用によって病巣を発見する等の赤外光観察による観察画像が得られる。

また、紫色発光素子部８２の紫色光は、光線力学診断（Photodynamic Diagnosis：ＰＤＤ）を行うための照明光としても用いることができる。ＰＤＤは、予め腫瘍親和性がありかつ特定の励起光に対して感応する光感受性物質を生体に投与した後、励起光となるレーザ光を生体組織面に照射して、癌などの腫瘍の病巣部で光感受性物質の濃度が高くなった部位からの蛍光を観察する診断方法である。

図８の積層型半導体発光素子１００Ｃは、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０の他に、橙色発光素子部５３を更に追加して構成してある。橙色発光素子部５３は、例えば中心波長が５６０ｎｍの橙色光を発光する。

この積層型半導体発光素子１００Ｃにおいても、各発光素子部が発光波長の長い順に下側から積層して配置され、各発光素子部の間には前述の光学機能層が配置されている。

この構成例の場合では、橙色発光素子部５３が緑色発光素子部２０と赤色発光素子部３０との間に配置され、橙色発光素子部５３と赤色発光素子部３０との間には光学機能層が配置されている。この光学機能層は、橙色光を上方に反射して赤色光を透過させる。また、入射角度の浅い入射光成分は下方に反射して戻すことは前述と同様である。

例えば、この積層型半導体発光素子１００Ｃを内視鏡装置の患部照明用に適用する場合には、白色光による通常観察に加えて、橙色光による観察が行えるようになる。この橙色光によれば、観察部位の発赤等の炎症初期の症状を感度良く観察することができる。

上記例の各積層型半導体発光素子１００，１００Ａ、１００Ｂ，１００Ｃにおいては、発光面のサイズを略共通にして各発光素子部を角柱状に積層させた構成としていたが、各発光素子部の積層形態はこれに限らない。例えば、図９に示すように、出射する照明光の拡がりを考慮して、各発光素子部の発光面の面積を光出射側ほど広くしてもよい。

つまり、この積層型半導体発光素子１００Ｄにおいては、発光領域の面積（Ｚ軸と直交する面の面積）が互いに異なる青色発光素子部１０Ａ、緑色発光素子部２０Ａ、赤色発光素子部３０Ａを用いて、面積が最も小さい赤色発光素子部３０Ａを最下部に配置し、次に面積が大きい緑色発光素子部２０Ａを中間部に配置し、最も大きい面積の青色発光素子部１０Ａを最上部に配置してある。

これにより、下層側の発光素子部からの出射光軌跡の外郭が上層側の発光素子部の発光面内に含まれるようになり、下層側の発光素子部からの発光光がその上方で遮蔽されることなく、拡がりながら矢印Ａ方向に出射されることになる。従って、各発光素子部からの発光光がケラレることなく、有効に利用されて高輝度な出射光を得ることができる。

次に、積層型半導体発光素子の他の構成例について説明する。
図１０は前述の積層型半導体発光素子の周囲を蛍光体によりモールドした場合の概略的な構成図である。
この積層型半導体発光素子１００Ｅは、青色発光素子部１０、緑色発光素子部２０、赤色発光素子部３０を積層して構成して、更にそれらを取り囲むように形成された蛍光体８１を有している。なお、各発光素子部同士の間には、図示しない前述の光学機能層が配置されている。

蛍光体８１は、青色光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光体物質（例えばＹＡＧ系蛍光体、或いはＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇）等の蛍光体）を含んで構成される。

この積層型半導体発光素子１００Ｅは、青色発光素子部１０が中心波長４４５ｎｍの青色光を出射する。蛍光体８１は、青色発光素子部１０から出射された青色光のエネルギの一部を吸収して励起され、例えば図１１に示すようなスペクトル、つまり概ね４５０〜７００ｎｍの波長帯域で大きな発光強度が得られる励起発光光（黄色光）になる。この蛍光体８１の励起発光光と、青色発光素子部１０から出射され蛍光体８１を透過した青色光の成分との合成により白色に近い出射光が得られる。

また、緑色発光素子部２０から出射される緑色の狭帯域光及び赤色発光素子部３０から出射される赤色の狭帯域光については、蛍光体８１を励起させることなく透過し、拡散しつつ出射される。

本構成の積層型半導体発光素子１００Ｅによれば、青色発光素子部１０から青色光を発光させることで、白色の出射光が得られ、更に、緑色発光素子部２０から狭帯域の緑色光、赤色発光素子部３０から狭帯域の赤色光を選択的に出射させることができる。

図１２に示す積層型半導体発光素子１００Ｆは、上記の積層型半導体発光素子１００Ｅの構成に加えて紫色発光素子部８２を青色発光素子部１０の上方に配置している。そして更に、これらの周囲を取り囲むように蛍光体８３の層が形成されている。

蛍光体８３は、青色発光素子部１０からの青色光にのみ励起発光する蛍光体であり、他の色の光は透過させる発光特性を有する。

上記構成の積層型半導体発光素子１００Ｆによれば、青色発光素子部１０からの青色光により白色光が得られ、紫色発光素子部８２からの紫色光と、緑色発光素子部２０からの狭帯域の緑色光、赤色発光素子部からの狭帯域の赤色光を選択的に出射させることができる。

なお、上記の積層型半導体発光素子１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆは、電子内視鏡装置に適用することに限らず、特に小型、軽量でしかも経済的に優れた構成であるため、他のいかなる光源装置に対しても適用が可能である。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） それぞれ発光ダイオードを構成する第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部が各発光素子の厚み方向にこの順で積層され、最上層の前記第３の発光素子部の上面から光を出射する積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部は、中心発光波長の長い順に下層から配置され、上層に配置された前記発光素子部は下層に配置された前記発光素子部の発光光に対する透光性をそれぞれ有し、
前記第１の発光素子部と前記第２の発光素子部との間に第１光学機能層、前記第２の発光素子部と前記第３の発光素子部との間に第２光学機能層が配置され、
前記第１光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光を透過し、前記第２の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有し、
前記第２光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光及び第２の発光素子部の発光光を透過し、前記第３の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有する積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、第１の発光素子部からの発光光が第１光学機能層を通して第２の発光素子部へ導入され、更に第２の発光素子部からの発光光と共に第２光学機能層を通して第３の発光素子部に導入され、第３の発光素子部からの発光光と共に出射される。このとき、第２の発光素子部からの発光光のうち、下方に向かう光成分が第１光学機能層により上方に反射され、第３の発光素子部からの発光光のうち、下方に向かう光成分が第２光学機能層により上方に反射される。これにより、各発光素子から出射される光のエネルギが光路途中で吸収・減衰されることなく、発光光を高効率で出射光として利用でき、発熱を抑制しつつ高強度の光を安定して得ることができる。
（２） （１）の積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部の下層に配置され、該第１の発光素子部の発光光を上方に反射する反射層を有する積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、第１の発光素子部から下方に向かう光成分が反射層により上方に反射されて有効利用されるので、出射光強度をより高めることができる。
（３） （１）又は（２）の積層型半導体発光素子であって、
前記第１光学機能層及び前記第２光学機能層の少なくともいずれかが、下層側に向かう特定の波長帯域の光を選択的に反射してする誘電体多層膜を有する積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、発光素子部から下方に向かう光成分を誘電体多層膜によって高い反射率で確実に反射させることができる。
（４） （１）〜（３）のいずれかの積層型半導体発光素子であって、
前記第１光学機能層及び前記第２光学機能層の少なくともいずれか一方が、上層側に向かう光を前記光学機能層の層面に対する略垂直方向に揃える偏向層を更に備える積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、発光素子部から上方に向けて斜めに入射する光成分が略垂直方向に偏向されて出射され、これにより、高強度の出射光を生成することができる。
（５） （４）の積層型半導体発光素子であって、
前記偏向層が、断面が山形の複数のプリズム部が並設された凹凸表面形状の入射面を有するプリズムシートである積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、凹凸表面形状を有するプリズムシートを発光素子部の間に介装することによって、簡単に入射光を垂直方向に偏向して出射させることができる。
（６） （１）〜（５）のいずれかの積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部を積層した柱状体のいずれかの側面に、支持部材が密着された積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、柱状体の側面のいずれかが支持部材に密着されることで、発光素子部を安定して固定できる。
（７） （６）の積層型半導体発光素子であって、
前記支持部材が金属材料からなる積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、高熱伝導性の金属材料による熱拡散効果により、発光素子部の発熱を抑えることができる。
（８） （６）又は（７）の積層型半導体発光素子であって、
前記柱状体の側面に、前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部をそれぞれ発光駆動するためのコンタクト電極が配置された積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、柱状体の側面にコンタクト電極を配置するため、発光素子をより小型化することができる。
（９） （１）〜（８）のいずれかの積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部とは異なる中心発光波長の発光素子部を、少なくとも一層更に備えた積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、例えば光の三原色の他に更に他の特定波長成分の光が出射可能となり、発光素子の利用範囲を拡げることができる。
（１０） （１）〜（９）のいずれかの積層型半導体発光素子であって、
前記複数の発光素子部が厚み方向に重なり合う積層面積が、下層側の発光素子より上層側の発光素子が大きい積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、下層側の前記発光素子部からの出射光軌跡の外郭が、上層側の前記発光素子部の発光面内に含まれるようになり、下層側の発光素子部からの発光光が上層側の発光素子部によりケラレることが防止され、光利用効率を高めて高輝度の光を出射することができる。
（１１） （１）〜（１０）のいずれかの積層型半導体発光素子であって、
前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部の周囲を覆って配置され、前記いずれかの発光素子部からの発光光により励起発光する蛍光体層を備えた積層型半導体発光素子。
この積層型半導体発光素子によれば、いずれかの発光素子部の発光光を波長変換することで、出射光の波長帯の種類を増やすことができ、発光素子の利用範囲を拡げることができる。例えば蛍光体層の発光と合わせて白色光を生成することで、他の発光素子部の発光波長を白色光生成用以外の他の波長に割り当てることができ、所望のスペクトルの出射光を容易に得ることができる。

１０ 青色発光素子部（第３の発光素子部）
１２ ｐ型ＧａＮ層
１３ ｐ型ＩｎＧａＮ層
１４ ＩｎＧａＮ発光層
１５ ｎ型ＧａＮ層
２０ 緑色発光素子部（第２の発光素子部）
２２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２３ ｐ型ＩｎＧａＮ層
２４ ＩｎＧａＮ発光層
２５ ｎ型ＧａＮ層
３０ 赤色発光素子部（第１の発光素子部）
３２ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層
３３ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ発光層
３４ ｎ型ＧａＰ層
４１ 上側光学機能層（第２光学機能層）
４２ 下側光学機能層（第１光学機能層）
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ 積層型半導体発光素子

Claims (11)

1. それぞれ発光ダイオードを構成する第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部が各発光素子の厚み方向にこの順で積層され、最上層の前記第３の発光素子部の上面から光を出射する積層型半導体発光素子であって、
   前記第１の発光素子部、第２の発光素子部、第３の発光素子部は、中心発光波長の長い順に下層から配置され、上層に配置された前記発光素子部は下層に配置された前記発光素子部の発光光に対する透光性をそれぞれ有し、
   前記第１の発光素子部と前記第２の発光素子部との間に第１光学機能層、前記第２の発光素子部と前記第３の発光素子部との間に第２光学機能層が配置され、
   前記第１光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光を透過し、前記第２の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有し、
   前記第２光学機能層が、前記第１の発光素子部の発光光及び第２の発光素子部の発光光を透過し、前記第３の発光素子部の発光光を反射する光学特性を有する積層型半導体発光素子。
2. 請求項１記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記第１の発光素子部の下層に配置され、該第１の発光素子部の発光光を上方に反射する反射層を有する積層型半導体発光素子。
3. 請求項１又は請求項２記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記第１光学機能層及び前記第２光学機能層の少なくともいずれかが、下層側に向かう特定の波長帯域の光を選択的に反射してする誘電体多層膜を有する積層型半導体発光素子。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記第１光学機能層及び前記第２光学機能層の少なくともいずれか一方が、上層側に向かう光を前記光学機能層の層面に対する略垂直方向に揃える偏向層を更に備える積層型半導体発光素子。
5. 請求項４記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記偏向層が、断面が山形の複数のプリズム部が並設された凹凸表面形状の入射面を有するプリズムシートである積層型半導体発光素子。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部を積層した柱状体のいずれかの側面に、支持部材が密着された積層型半導体発光素子。
7. 請求項６記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記支持部材が金属材料からなる積層型半導体発光素子。
8. 請求項６又は請求項７記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記柱状体の側面に、前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部をそれぞれ発光駆動するためのコンタクト電極が配置された積層型半導体発光素子。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の積層型半導体発光素子であって、
   前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部とは異なる中心発光波長の発光素子部を、少なくとも一層更に備えた積層型半導体発光素子。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の積層型半導体発光素子であって、
    前記複数の発光素子部が厚み方向に重なり合う積層面積が、下層側の発光素子より上層側の発光素子が大きい積層型半導体発光素子。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載の積層型半導体発光素子であって、
    前記第１の発光素子部、前記第２の発光素子部、前記第３の発光素子部の周囲を覆って配置され、前記いずれかの発光素子部からの発光光により励起発光する蛍光体層を備えた積層型半導体発光素子。

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