JP2011249460A

JP2011249460A - 白色発光ダイオード

Info

Publication number: JP2011249460A
Application number: JP2010119410A
Authority: JP
Inventors: Motoaki Iwatani; 素顕岩谷; Satoshi Kamiyama; 智上山; Hiroshi Amano; 浩天野; Isamu Akasaki; 勇赤▲崎▼
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】蛍光体を使用せずに、発光ダイオードのみから構成される白色発光ダイオードを提供する。
【解決手段】赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３が、各発光ダイオードから発せられる光が同一方向となるようにこの順に積層される。第１の接合部材１４及び第２の接合部材１５は透明電極とすることができる。この場合は透明電極をフェムト秒レーザを用いて融解させることによって発光ダイオード同士を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色発光ダイオードに関するものである。

発光ダイオードは、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、発光ダイオードは長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このような発光ダイオードを種々の用途に適用する場合、白色光を得ることが重要となる。

発光ダイオードで白色光を実現する代表的な方式としては、（１）赤、緑および青の各色を発する３つの発光ダイオードチップを平面的に配列して使用する方式、（２）青色光を発する発光ダイオードチップと黄色ないし橙色光を発する蛍光体とを組み合わせる方式、（３）紫外線を発する発光ダイオードチップと赤色、緑色および青色の三色混合蛍光体とを組み合わせる方式などを挙げることができる。

（１）の３原色の発光ダイオードチップを使用する方法は、高い発光効率を得ることができるが、目的とする強度の白色光を得るには、各色を発する３つの発光ダイオードチップをそれぞれ独立に制御しなければならず、少なくとも３つの電源が必要となって装置構成及び制御が複雑になるという問題があった。

一方、（２）の青色光を発する発光ダイオードチップと黄色ないし橙色光を発する蛍光体とを組み合わせる方式、（３）の紫外線を発する発光ダイオードチップと赤色、緑色および青色の三色混合蛍光体とを組み合わせる方式、すなわち蛍光体を用いる方式は、使用する発光ダイオードチップが一つであるため制御が容易であり、白色光を得るための発光装置として現在主流になっている。これらの中でも、輝度特性の観点から、（２）の方式が広く実用化されている。

上記した（２）及び（３）の方式を適用した発光ダイオードの構造としては、発光ダイオードチップを装備したカップ型のフレーム内に、所望の色を発する蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを固化させて蛍光体を含有する蛍光体層を形成した構造が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、これらの蛍光体を用いる方法は、青色発光ダイオードなどによって蛍光体を励起し、その蛍光体に固有の色を発色させ、これによって目的とする白色光を得るものであるためストークスロスが生じてしまい、演色性及び発光効率が劣化してしまうという問題があった。また、蛍光体を使用するので、上述のようなカップ型のフレームが必要となり、装置全体が大型化してしまうという問題があった。

したがって、蛍光体を使用しない、発光ダイオードのみから構成される制御の容易な白色発光ダイオードの実現が待たれている。

特開２００１−１４８５１６号

本発明は、蛍光体を使用せずに、発光ダイオードのみから構成される新規な構成の白色発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードが、各発光ダイオードから発せられる光が同一方向となるように積層されてなることを特徴とする、白色発光ダイオードに関する。

本発明の白色発光ダイオードによれば、従来のように蛍光体を使用しないので、蛍光体励起の際に生じるストークスロスを低減することができる。この結果、演色性及び発光効率の劣化を抑制することができる。

また、本発明の一例において、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードは、この順に積層することが好ましい。この場合、赤色発光ダイオードから発せられた赤色光は、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードを透過して外部に取りだされるようになり、緑色発光ダイオードから発せられた緑色光は、青色発光ダイオードを透過して外部に取りだされるようになる。

これらの赤色光及び緑色光は、青色発光ダイオードから発せられる青色光に比較して波長が長いため、緑色発光ダイオードや青色発光ダイオードを容易に透過する。したがって、例えば青色発光ダイオードを最下方あるいは中間に配置させ、当該発光ダイオードから発せられる青色光を、赤色発光ダイオードなどを透過させる場合に比較して、エネルギーロスを極力少なくすることができる。結果として、演色性及び発光効率を向上させることができる。

また、本発明の一例において、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードは、同一の導電型を示すように構成され、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードからなる積層体の、相対向する一対の面において、各発光ダイオードの前記活性層を挟むようにして一対の電極を設けるようにして構成することができる。

この場合、一対の電極に対して所定の電圧を印加することにより、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードから、それぞれ所定の赤色光、緑色光及び青色光を発することができ、目的とする白色光を得ることができる。すなわち、従来の３原色の発光ダイオードチップを使用する方法に比較して、単一の電源を用いた制御のみで目的とする白色光を得ることができるので、白色光を得るための装置構成及び制御を簡易化することができる。

また、本発明の一例において、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードは、ＧａＮ系窒化物半導体から構成することができる。この場合、例えば活性層の組成成分を変化させるのみで、赤色から青色までの光を発することができるダイオードを製造することができる。したがって、例えば、同一の成膜装置を用い、供給する原料ガスの流量比を調節するのみで赤色発光ダイオードから青色発光ダイオードまでを製造することができる。すなわち、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードを製造するに際し、複数の成膜装置を用いることなく、単一の成膜装置を用いれば足りるので、目的とする白色発光ダイオードの製造コストを低減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、蛍光体を使用せずに、発光ダイオードのみから構成される新規な構成の白色発光ダイオードを提供することができる。

第１の実施形態の白色発光ダイオードの概略構成を示す図である。第２の実施形態の白色発光ダイオードの概略構成を示す図である。実施例における白色発光ダイオードの光強度スペクトルである。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の白色発光ダイオードの概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の白色発光ダイオード１０は、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を有しており、これらがこの順に積層されてなる。また、赤色発光ダイオード１１及び緑色発光ダイオード１２間、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３間は、それぞれ第１の接合部材１４及び第２の接合部材１５によって互いに接合されている。

また、図１から明らかなように、目的とする白色光は、白色発光ダイオード１０の上方において取りだすようにしているので、各発光ダイオードの発光面は上方に向いている。なお、発光面は基板側とすることもできるし、基板と相対向する側とすることもできる。

赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３は、それぞれ公知の発光ダイオードから構成することができる。例えば、赤色発光ダイオード１１は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓＰ系、ＧａＰ系やＧａＮ系の半導体から構成することができる。また、緑色発光ダイオード１２は、ＧａＰ系、ＺｅＳｅ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系の半導体から構成することができる。さらに、青色発光ダイオード１３は、ＺｅＳｅ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＮ系の半導体から構成することができる。

また、上述した内容から明らかなように、ＧａＮ系半導体、すなわちＧａＮ系窒化物半導体を用いることにより、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を製造できることが分かる。すなわち、ＧａＮ系窒化物半導体を用いれば、例えば各発光ダイオードにおける活性層の組成成分を変化させるのみで、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を製造できる。

したがって、例えば、同一の成膜装置を用い、供給する原料ガスの流量比を調節するのみで赤色発光ダイオードから青色発光ダイオードまでを製造することができるので、これらの発光ダイオードを製造するに際し、複数の成膜装置を用いることなく、単一の成膜装置を用いれば足り、目的とする白色発光ダイオードの製造コストを低減することができる。

なお、本発明でいうところのＧａＮ系窒化物半導体とは、一般式ＡｌＧａＩｎＮで表され、Ｇａ元素を少なくとも５０％以上含んでいるものをいう。また、赤色発光ダイオードにはＡｌＧａＡｓ半導体及びＡｌＧａＩｎＰ半導体、緑色及び青色に関してはＺｎＣｄＳｅ及びＺｎＣｄＯ半導体を用いた場合でも同様の効果が得られるのは言うまでもない。

また、赤色発光ダイオード１１は、一般に波長６２０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を発する発光ダイオードを意味し、緑色発光ダイオード１２は、一般に波長４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を発する発光ダイオードを意味する。また、青色発光ダイオード１３は、一般に波長４５０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長領域に発光ピークを有するような光を発する発光ダイオードを意味する。

第１の接合部材１４及び第２の接合部材１５は、例えばはんだを用いることもできるが、透明電極とすることもできる。透明電極を用いる場合は、この透明電極を融解させることによって、発光ダイオード同士を接合する。透明電極の融解は、例えばフェムト秒レーザを用いて行うことができる。フェムト秒レーザは赤外光を発するので、この赤外光は透明電極を透過することなく当該透明電極によって吸収され、上述のように当該透明電極を融解することができるようになる。なお、フェムト秒レーザは、市販のものを用いることができる。

第１の接合部材１４及び第２の接合部材１５を透明電極から構成した場合は、はんだから構成した場合に比較して、各発光ダイオードから発せられる光の吸収度合いが小さくなるので、白色発光ダイオード１０の発光効率の劣化をより効果的に抑制することができる。

本実施形態の白色発光ダイオード１０によれば、従来のように蛍光体を使用しないので、蛍光体励起の際に生じるストークスロスを低減することができる。この結果、演色性及び発光効率の劣化を抑制することができる。

また、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３をこの順に積層しているので、赤色発光ダイオード１１から発せられた赤色光は、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を透過して外部に取りだされるようになり、緑色発光ダイオード１２から発せられた緑色光は、青色発光ダイオード１３を透過して外部に取りだされるようになる。

これらの赤色光及び緑色光は、青色発光ダイオード１３から発せられる青色光に比較して波長が長いため、緑色発光ダイオード１２や青色発光ダイオード１３を容易に透過する。したがって、例えば青色発光ダイオード１３を最下方あるいは中間に配置させ、当該発光ダイオードから発せられる青色光を、赤色発光ダイオード１１などを透過させる場合に比較して、エネルギーロスを極力少なくすることができる。結果として、演色性及び発光効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態の白色発光ダイオードの概略構成を示す図である。なお、第１の実施形態における白色発光ダイオードの構成要素と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

図２に示すように、本実施形態の白色発光ダイオード２０も、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を有しており、これらがこの順に積層されてなる。また、赤色発光ダイオード１１及び緑色発光ダイオード１２間、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３間は、それぞれ第１の接合部材１４及び第２の接合部材１５によって互いに接合されている。さらに、赤色発光ダイオード１１の下面及び青色発光ダイオード１３の上面には、一対の電極層１７及び１８が設けられている。

したがって、本実施形態の白色発光ダイオード２０によれば、一対の電極層１７及び１８間に電圧を印加するのみで、各発光ダイオードから相当する色の光を発することができる。この結果、従来の３原色の発光ダイオードチップを使用する方法に比較して、単一の電源を用いた制御のみで目的とする白色光を得ることができるので、白色光を得るための装置構成及び制御を簡易化することができる。

但し、本実施形態においては、一対の電極層１７及び１８間に電圧を印加することによって、白色光を得るようにしているので、各発光ダイオードは、同一方向（順方向）に電流を流した場合においてそれらの活性層が励起され、相当する色の光を発することが要求される。したがって、各発光ダイオードは、同一の導電型を有することが要求される。すなわち、各発光ダイオードにおける活性層の下方をｐ型とし、活性層の上方をｎ型とするか、活性層の下方をｎ型とし、活性層の上方をｐ型とすることが要求される。

本実施形態の白色発光ダイオード２０においても、従来のように蛍光体を使用しないので、蛍光体励起の際に生じるストークスロスを低減することができる。この結果、演色性及び発光効率の劣化を抑制することができる。

また、赤色発光ダイオード１１、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３をこの順に積層しているので、赤色発光ダイオード１１から発せられた赤色光は、緑色発光ダイオード１２及び青色発光ダイオード１３を透過して外部に取りだされるようになり、緑色発光ダイオード１２から発せられた緑色光は、青色発光ダイオード１３を透過して外部に取りだされるようになるので、エネルギーロスを極力少なくすることができる。結果として、演色性及び発光効率を向上させることができる。

なお、各発光ダイオードを構成する材料系及び各接合部材を構成する材料系は、上記第１の実施形態と同様であり、またそれによって奏される作用効果も第１の実施形態と同様であるので、本実施形態では説明を省略する。

（実施例１）
ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層と、厚さ３ｎｍのＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ及び厚さ１０ｎｍのＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎからなる３周期の多重量子井戸活性層と、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層とを順次に形成して、赤色発光ダイオードを製造した。また、ＧａＮ基板上に、同じくＭＯＣＶＤ法により、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層と、厚さ３ｎｍのＧａ_０．７２Ｉｎ_０．２８Ｎ及び厚さ１０ｎｍのＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎからなる３周期の多重量子井戸活性層と、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層とを順次に形成して、緑色発光ダイオードを製造した。さらに、ＧａＮ基板上に、同じくＭＯＣＶＤ法により、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層と、厚さ３ｎｍのＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ及び厚さ１０ｎｍのＧａ_０．８２Ｉｎ_０．１８Ｎからなる３周期の多重量子井戸活性層と、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層とを順次に形成して、青色発光ダイオードを製造した。

次いで、上述のようにして得た赤色発光ダイオードを、ＧａＮ基板を下側にして最下方に配置し、次いで、緑色発光ダイオードのＧａＮ基板が赤色発光ダイオードのｐ型ＧａＮ層と対向するようにして積層し、さらに青色発光ダイオードのＧａＮ基板が緑色発光ダイオードのｐ型ＧａＮ層と対向するようにして積層した。

次いで、赤色発光ダイオードの下面にITOからなる電極層を形成するとともに、青色発光ダイオードの上面にITOからなる電極層を形成した。また、各発光ダイオードは、市販の透明な導電性はんだ（厚さ１０μm）を用いて接合し、図２に示すような白色発光ダイオードを製造した。

図３は、このようにして得た白色発光ダイオードの光強度スペクトルである。この光強度スペクトルは、上述のようにして形成した電極間に６．８Ｖの電圧を印加し、図２に示すように、上述した発光ダイオードの積層方向、すなわちＧａＮ基板と相対向する側から白色光を発光させることによって得たものである。

図３から明らかなように、赤色波長領域、緑色波長領域及び青色波長領域において、同程度の光強度のピークが生じているのが分かる。すなわち、本実施形態で得られた白色発光ダイオードは、ストークスロスなどを生じること無いので、演色性及び発光効率に優れることが分かる。実際、発光効率は２００（ｌｍ／Ｗ）であり、演色性はＲａが８５であった。また、理論的な限界値は、この従来の蛍光体を用いた場合に比べ約2倍程度のものが得られることが計算によって求められている。

（実施例２）
実施例１において、各発光ダイオードを接続するはんだに代えて、厚さ１０μｍのＩＴＯ透明導電膜を用い、これをフェムト秒レーザ（スペクトラフィジックス社製）によって融解させ、融着させた。

この場合においても、図３に示すようなストークスロスを生じることのない光強度スペクトルが得られているものと推定され、発光効率２００（ｌｍ／Ｗ）であり、演色性はＲａ＝８５であった。

なお、上記実施例は、図１及び図２に示す新規な構成の白色発光ダイオードが実用に供することができる発光効率及び演色性を有することを調べたにすぎない。したがって、その後に各発光ダイオードの層構成や材料組成などを制御することによって、発光効率及び演色性はさらに向上すると考えられる。

以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

１０，２０白色発光ダイオード
１１赤色発光ダイオード
１２緑色発光ダイオード
１３青色発光ダイオード
１４第１の接合部材
１５第２の接合部材
１７，１８電極層

Claims

赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードが、各発光ダイオードから発せられる光が同一方向となるように積層されてなることを特徴とする、白色発光ダイオード。
前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードは、この順に積層されてなることを特徴とする、請求項１に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードは、同一の導電型を示すように構成され、前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードからなる積層体の、相対向する一対の面において、各発光ダイオードの前記活性層を挟むようにして一対の電極が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードは、ＧａＮ系窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の白色発光ダイオード。
前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードは、それぞれ透明電極を融解させ、この融解した透明電極によって互いに融着して接続していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の白色発光ダイオード。
前記透明電極の融解は、フェムト秒レーザを用いて行うことを特徴とする、請求項５に記載の白色発光ダイオード。