JP2013175679A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを蛍光体の励起源として用いた発光装置において、光量調節に伴い発光効率が低下することを防止するのに役立つ技術を提供する。
【解決手段】この発光装置は、紫ＬＥＤと、その光量を制御する制御システムと、蛍光体とを備えている。制御システムは、紫ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを有する。紫ＬＥＤの光量は、デューティ比制御回路により上記比率を調整することにより調節される。紫ＬＥＤは、発光スペクトルのピーク波長を３９５〜４１０ｎｍの範囲内に有するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤであり、蛍光体には、Ｅｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体およびＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体から選ばれる一種以上の蛍光体が含まれる。
【選択図】図５

Description

本発明は、紫ＬＥＤまたは青ＬＥＤと、該ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備える発光装置に関する。

一般式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表されるＧａＮ系半導体（窒化物半導体、III族窒化物系化合物半導体などとも呼ばれる）を用いて発光構造を形成してなるＧａＮ系ＬＥＤが実用化されている。特に、ＩｎＧａＮ−ＬＥＤと呼ばれる、ＩｎＧａＮを用いて構成された活性層（例えば、ＩｎＧａＮ井戸層を含むＭＱＷ活性層）を備えるダブルヘテロｐｎ接合型のＧａＮ系ＬＥＤ素子は発光効率が高いことから、インジケータのような用途に留まらず、ディスプレイ、照明などの用途にも使用されている。

ディスプレイや照明の用途において重要なＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、発光ピーク波長が３９５〜４１５ｎｍの紫ＬＥＤと、発光ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍの青ＬＥＤである。紫ＬＥＤは主として青、緑および赤の蛍光体を用いた高演色の白色ＬＥＤに用いられる。青ＬＥＤは主として緑、黄および赤の蛍光体を用いた高効率の白色ＬＥＤに用いられる。発光ピーク波長が４１５ｎｍより長波長かつ４４０ｎｍより短波長であるＬＥＤは、青蛍光体を十分に励起させることができないので高演色の白色ＬＥＤに適さず、また、視感度が高くないため高効率の白色ＬＥＤにも適していない。

最近では、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が誘起されないように、非極性基板であるｍ面ＧａＮ基板（しばしばオフ角が付与される）を用いてｎ型層、活性層およびｐ型層を六方晶のｍ軸方向に積層したｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの研究開発が進められている（非特許文献１〜３）。ＱＣＳＥがなければ、印加する順方向電流を大きくしてもＬＥＤの発光特性が変わらないことが期待される。このことを調べるため、非特許文献１ではメサの面積（≒活性層の面積）が３００×３００μｍ^２のＬＥＤに最大１００ｍＡの順方向電流が印加されている。非特許文献２でも同様に、活性領域の面積が３００×３００μｍ^２のＬＥＤに最大１００ｍＡの順方向電流が印加されている。非特許文献３では、３００×３００μｍ^２のＬＥＤに最大３００ｍＡもの順方向電流（電流密度では３３０Ａ／ｃｍ^２に相当）が印加されている。

ＣＷ（Continuous Wave）駆動した場合に色度が順方向電流に依存して変化する白色ＬＥＤを用いた発光装置において、その白色ＬＥＤに供給する電流のオン時間とオフ時間の比率を変化させることにより光量制御すると、調光に伴う色度変化を抑制できることが知られている（特許文献１）。

特開２００２−３２４６８５号公報

Kuniyoshi Okamoto et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 45, 2006, pp. L1197-L1199 Mathew C. Schmidt et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 7, 2007, pp. L126-L128 Shih-Pang Chang et al., Journal of The Electrochemical Society, 157 (5) H501-H503 (2010)

ＱＣＳＥが生じないとの期待にもかかわらず、本発明者等がｍ面ＧａＮ基板を用いた紫および青のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤ（３５０×３４０μｍ^２）を試作し発光特性を評価したところ、図６および図８にそれぞれ示すように、印加する順方向電流に応じて発光スペクトルに看過できない変化が生じることが判明した。これは、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを蛍光体の励起源として用いた発光装置では、順方向電流を変化させて光量調節を行うと蛍光体の励起効率の変化に起因して発光効率が低くなる場合があることを意味する。それは、蛍光体の中に、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトル変化が生じる波長領域において励起効率が波長依存性を有するものが含まれる場合である。

そこで、本発明は、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを蛍光体の励起源として用いた発光装置において、光量調節に伴い発光効率が低下することを防止するのに役立つ技術を提供することを、主たる目的とする。

本発明の発光装置は、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤと、該ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備えるものであって、該制御システムが該ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、該ＬＥＤに供給される電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを備え、該ＬＥＤの光量が、該デューティ比制御回路により該比率を調整することにより調節されるように構成される。
かかる構成によれば、蛍光体の中に、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトル変化が生じる波長領域において励起効率が波長依存性を有するものが含まれる場合であっても、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルを蛍光体の励起効率が低くならないように設定することができる。

この発光装置の具体的な実施形態には次のようなものがある。
（１）紫ＬＥＤと、該紫ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該紫ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備える発光装置において、
該制御システムは、該紫ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、該紫ＬＥＤに供給される電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを備え、
該紫ＬＥＤの光量は、該デューティ比制御回路により該比率を調整することにより調節され、
該紫ＬＥＤは、該所定レベルの電流が印加されたときの発光スペクトルのピーク波長を３９５〜４１０ｎｍの範囲内に有するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤであり、
該蛍光体には、Ｅｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体およびＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体から選ばれる一種以上の蛍光体が含まれる、
ことを特徴とする発光装置。

（２）青ＬＥＤと、該青ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該青ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備える発光装置において、
該制御システムは、該青ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、該青ＬＥＤに供給される電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを備え、
該青ＬＥＤの光量は、該デューティ比制御回路により該比率を調整することにより調節され、
該青ＬＥＤはｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤであり、
該所定レベルの電流が該青ＬＥＤに供給されるときの該青ＬＥＤの活性層における電流密度が１１７Ａ／ｃｍ^２以上であり、
該蛍光体には、該所定レベルの電流が供給されるときの該青ＬＥＤの発光スペクトルの短波長側の半値波長をλ１、長波長側の半値波長をλ２としたとき、励起スペクトルのλ１における強度がλ２における強度よりも高い蛍光体が含まれる、
ことを特徴とする発光装置。

（３）励起スペクトルのλ１における強度がλ２における強度よりも高い蛍光体が、Ｅｕを付活剤に含む蛍光体を含む、前記（２）に記載の発光装置。

（４）前記ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤが、ｍ面ＧａＮ系半導体基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤである、請求項（１）〜（３）のいずれかに記載の発光装置。

なお、本発明および本明細書にいうｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤとは、発光構造を構成するｎ型層、活性層およびｐ型層の積層方向が、これらの層を構成する六方晶のＧａＮ系半導体結晶のｍ軸との間でなす角度が１０度以内であるＩｎＧａＮ−ＬＥＤをいうものとする。

本発明によれば、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを蛍光体の励起源として用いた発光装置において、光量調節に伴い発光効率が低下することを防止するのに役立つ技術が提供される。

ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの一形態の構成を模式的に示す断面図である。 ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの他の形態の構成を模式的に示す断面図である。 ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの別の形態の構成を模式的に示す断面図である。 ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの具体的な構成例を示す図である。 制御システムのブロック図である。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルである。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルである。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルである。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤにおける順方向電流と発光スペクトルのピーク波長との関係を示す図である。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤにおける順方向電流と発光スペクトルの半値幅との関係を示す図である。 ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルである。 ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルの解析結果を示すグラフである。

（好ましい実施形態）
以下、本発明について実施形態を例示して説明する。
本発明の発光装置に使用することのできるｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの形態は様々であり、例えば、図１〜図４にそれぞれ示すものが挙げられる。なお、図２〜図４においては、図１と同様の構造部に同一または対応する符号を付し、重複する説明は省略している。各図に表された層構造に関して、単一の層として描かれているものが複数の半導体層で構成されていてもよいし、複数の層として描かれているものが単一の半導体層で構成されていてもよい。

図１のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、ｍ面ＧａＮ系半導体基板１０と、その基板の主面（図示上面）１０ａ上に形成された積層構造２０とを備えている。積層構造２０は、この例では、基板１０側から順に、ｎ型クラッド層２３、活性層２５、およびｐ型クラッド層２７を有している。図１のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、また、ＧａＮ系半導体基板１０の裏面に形成されたｎ側電極Ｅ１と、積層構造２０上に形成されたｐ側電極Ｅ２とを有している。ｎ側電極Ｅ１は、図示するようにＧａＮ系半導体基板１０の裏面の一部のみに形成されている。

図２のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、図１に示すＬＥＤと同様、ｍ面ＧａＮ系半導体基板１１０と、その基板上に形成された積層構造１２０とを備えている。積層構造１２０は、一例として、基板１１０側から順に、ｎ型クラッド層１２３、活性層１２５、第１のｐ型クラッド層１２７Ａ、第２のｐ型クラッド層１２７Ｂ、およびｐ型コンタクト層１２９を有しており、その積層構造１２０上にはｐ側電極Ｅ２が形成されている。ｎ側電極Ｅ１は、積層構造１２０の一部をエッチングにより除去することでｍ面ＧａＮ系半導体基板１１０の露出した部分１１０ｓに直接形成されている。

図３のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、図２のＬＥＤの電極配置と類似しているが、ｎ側電極Ｅ１が基板に直接設けられていない点で相違している。すなわち、図３のＬＥＤは、エピタキシャル層としてｎ型クラッド層兼コンタクト層２３′を有しており、ｎ側電極Ｅ１はこの層２３′上の一部に形成されている。

図４に示すｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤも、また、コンタクト層の表面にｎ側電極Ｅ１を設けた構造を有している。この図４のＬＥＤは、ｍ面ＧａＮ基板２１０と、その基板上に形成された積層構造２２０とを備えている。積層構造２２０は、基板２１０側から順に、第１のアンドープＧａＮ層２２１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２２２、第２のアンドープＧａＮ層２２３、ｎ型クラッド層２２４、活性層２２５、ｐ型クラッド層２２６、および、ｐ型コンタクト層２２７を有している。

積層構造２２０上には、オーミック性の透光性導電補助層Ｅ２ｂと、その層上の一部に形成されたｐ側メタル電極Ｅ２ａとが設けられている。ｎ側電極Ｅ１は、積層構造２２０の一部をエッチングにより除去することでコンタクト層２２２が露出した部分２２２ｓに形成されている。

図１〜図４のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤにおいて、ｍ面ＧａＮ系半導体基板はケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、酸素（Ｏ）のようなｎ型不純物でドープすることが好ましく、そのキャリア濃度（≒不純物濃度）は２．５×１０^１７ｃｍ^−３以上、好ましくは５×１０^１７ｃｍ^−３以上とされる。このようなキャリア濃度を有する基板を用いると、基板が良好な電流経路として働くので、ＬＥＤの順方向電圧の上昇を招くことなくｎ側電極の面積を小さくすることができる。電極に用いられる金属材料は紫や青の光を吸収するので、その面積を小さくすることで光取出し効率を改善することができる。

一方、エピタキシャル成長のベースであることを考慮すると、ｍ面ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３以下、更には１×１０^１８ｃｍ^−３以下に抑えることが望ましい。不純物の過剰な添加は結晶性を低下させるからである。結晶性を低下させないことは、基板の熱伝導率を低下させないためにも重要である。

活性層の構造は特に限定されるものではなく、従来から公知の構造を採用することができる。代表的なものとして、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とが交互に積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を挙げることができる。

ｎ型クラッド層としては、ｎ型不純物でドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。あるいは、ＧａＮ系半導体はアンドープの状態でもｎ型の導電性を示すので、ｎ型クラッド層はアンドープのＧａＮ系半導体で形成してもよい。ｐ型クラッド層には、ｐ型不純物でドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。

ｎ側電極Ｅ１およびｐ側電極Ｅ２も、従来から公知の材料で形成することが可能であり、コンタクト抵抗が小さくなるような金属材料が選ばれる。ｎ側電極Ｅ１には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）などを好ましく用いることができる。ｐ側電極Ｅ２については、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などを好ましく用いることができる。図４のＬＥＤにおいてｐ型コンタクト層上に設けられたオーミック性の透光性導電補助層は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電性酸化物を用いて形成することができる。

上記各形態のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤは、セラミックパッケージ、樹脂パッケージ、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などに実装された形で、本発明の発光装置に組み込まれる。また、本発明の発光装置は、ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ（チップ型ＬＥＤと呼ばれることがある）、砲弾型ランプ、パワーＬＥＤ、チップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットなどを備え、その内部に上記各形態のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを含むものであり得る。

更に、本発明の発光装置は、ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤが放出する光の一部を吸収して、異なる波長の光に変換する蛍光物質を備える。従って、本発明の発光装置は白色ＬＥＤを含むものであり得る。蛍光物質としては、従来より白色ＬＥＤに使用されている無機蛍光体を制限なく使用することができる他、有機蛍光体を使用することも可能である。

好ましい青蛍光体には、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：ＥｕのようなＥｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体と、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_５（ＰＯ_４）_３（Ｃｌ，Ｆ）：ＥｕのようなＥｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体がある。ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ）はＥｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体の一種、ＳＣＡ［Ｓｒ₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ］はＥｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体の一種である。

好ましい緑蛍光体には、（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，ＭｎのようなＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体、Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）₃Ｓｉ₆Ｏ₁₂Ｎ₂：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）₃Ｓｉ₆Ｏ₉Ｎ₄：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：ＥｕのようなＥｕ付活アルカリ土類ケイ窒化物系緑蛍光体、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）₂（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ₂Ｏ₇：ＥｕのようなＥｕ付活アルカリ土類ケイ酸塩系緑蛍光体、βサイアロン：Ｅｕ、Ｓｒ₅Ａｌ₅Ｓｉ₂₁Ｏ₂Ｎ₃₅：Ｅｕ、Ｓｒ₃Ｓｉ1₃Ａｌ₃Ｏ₂Ｎ₂₁：ＥｕのようなＥｕ付活サイアロン系緑蛍光体、Ｃａ₃（Ｓｃ，Ｍｇ）₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ、ＣａＳｃ₂Ｏ₄：ＣｅのようなＣｅ^３＋を付活剤とする緑蛍光体がある。

好ましい黄蛍光体には、（Ｙ，Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：ＣｅのようなＣｅ付活ガーネット系黄蛍光体、Ｌａ₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ、Ｃａ_1.5xＬａ_3-xＳｉ₆Ｎ₁₁：ＣｅのようなＣｅ付活ランタンケイ素窒化物系黄蛍光体がある。

好ましい赤蛍光体には（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ、（ＣａＡｌＳｉＮ₃）_1-x（Ｓｉ_(3n+2)/4ＮnＯ）_x：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ、ＳｒＡｌＳｉ₄Ｎ₇：ＥｕのようなＥｕ付活アルカリ土類ケイ窒化物系赤蛍光体、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ、Ｋ_２ＴｉＦ_６：ＭｎのようなＭｎ付活フッ化物錯体系蛍光体、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｍｇ_４（Ｆ）ＧｅＯ_６：Ｍｎ、αサイアロン：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ）₃ＳｉＯ₅：Ｅｕがある。

図５は、本発明の発光装置が好適に備えることのできる、ＬＥＤの光量を調節するための制御システムのブロック図である。この制御システムは、ＬＥＤ駆動用電流源１、電流値制御回路２、パルス幅変調発生回路（ＰＷＭ発生回路）３、スイッチ４、デューティ比制御回路５を有しており、ＬＥＤ６の光量を調節するものである。

ＬＥＤ駆動用電流源１は、ＬＥＤ６に電流を供給するためのものであり、スイッチ４を介してＬＥＤ６に接続されている。ＬＥＤ駆動用電流源１からＬＥＤ６に供給される電流は、電流値制御回路２によって所定レベルに設定される。スイッチ４のオン／オフは、ＰＷＭ発生回路３からの信号によって制御され、そのオン時間またはオフ時間はＰＷＭのパルス幅によって制御される。ＰＷＭのパルス幅はデューティ比制御回路５によって制御される。

すなわち、デューティ比制御回路５によってＰＷＭ発生回路３から供給されるＰＷＭのパルス幅が調整され、そのパルス幅とスイッチ４のオン時間とを相関させることで、デューティ比に応じて定まるスイッチ４のオン時間の間だけ、電流値制御回路２で定められる所定レベルの電流がＬＥＤ駆動用電流源１からＬＥＤ６に供給される。よって、ＬＥＤ６の光量（単位時間当たりにＬＥＤ６から放出される光の量）はデューティ比に比例することになる。

ＬＥＤ６の光量が最も多くなるのはスイッチ４が連続オン状態となったときであり、最も少なくなるのはスイッチ４が連続オフ状態となったときである。ＬＥＤ６が順方向電流に依存して発光スペクトルが変化するという発光特性を有していたとしても、電流値制御回路２によってＬＥＤ駆動用電流源１からＬＥＤ６に供給される電流レベルは一定とされているので、光量調節に伴う発光スペクトル変化は起こらない。

なお、この制御システムを具現化する回路構成は特に限定されるものではなく、例えば特許文献１に記載された回路構成等を適宜用いることができる。
電流値制御回路により定められる電流レベルは、ｍ面ＧａＮ基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを用いる場合であれば、活性層における電流密度が５１０Ａ／ｃｍ^２となるまで高くすることができる。ｍ面ＧａＮ基板を用いた活性層面積６８４００μｍ^２のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤが約３５０ｍＡの順方向電流の印加（電流密度５１０Ａ／ｃｍ^２）により破壊しないことを本発明者等は確認している。ただし、必要以上に高くすることはＬＥＤの寿命低下をもたらすので、この電流レベルは発光装置に要求される光量の最大値に応じて定めることが望ましい。

（実験結果）
図４に示したｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの試作および評価の結果を以下に記す。ＬＥＤの平面形状は３５０μｍ×３４０μｍの矩形とした。積層構造の形成は、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させることにより行った。ＩＩＩ族原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料にはアンモニア、Ｓｉ原料にはシラン、Ｍｇ原料にはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）_２Ｍｇ）を用いた。

各層の膜厚、添加した不純物、不純物の濃度を表１に示す。

アンドープＩｎＧａＮ井戸層を成長する際には、発光色が紫、青紫または青となるようにＩｎＧａＮ組成を調整した。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加したＭｇの活性化は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を所定時間成長させた後、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内で基板温度が室温まで降下する間に、該成長炉内に流す窒素ガスおよびアンモニアガスの流量を制御する方法を用いて行った。

半導体積層体をエピタキシャル成長により形成した後、その表面（ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の表面）に、電子ビーム蒸着法によりＩＴＯ膜を形成した。続いて、フォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて、このＩＴＯ膜を所定の形状にパターニングして、透光性電極を形成した。

このＩＴＯ膜を熱処理した後、リフトオフ法を用いて、ｎ側電極とｐ側メタル電極を同時に所定のパターンに形成した。これらの電極（メタルパッド）は、ＴｉＷ層の上にＡｕ層を積層した積層構造とした。その後、露出した半導体積層体の表面および透光性電極の表面に、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜を形成した。最後にスクライブおよびブレーキングを行うことによりウェハを分断し、ＬＥＤをチップにした。

上記手順で作製した紫、青紫および青のｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光スペクトルを、図６〜図８にそれぞれ示す。図６は紫ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ａ）、図７は青紫ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ｂ）、図８は青ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ｃ）の発光スペクトルであり、いずれも、ＬＥＤチップ（活性層面積：６８４００μｍ^２）にＣＷモードで電流印加して測定したものである。各図には、順方向電流が１０ｍＡ、２０ｍＡ、４０ｍＡ、６０ｍＡ、８０ｍＡ、１００ｍＡ、１２０ｍＡのときの発光スペクトル（ピーク強度で規格化したもの）を表示している。

図６〜図８が示すように、順方向電流の変化に伴う発光スペクトルの変化の仕方は発光波長によって異なっている。

ＬＥＤ−Ａ（紫ＬＥＤ）では、図６に示すように、順方向電流の増加とともにスペクトル全体が長波長側にシフトしている。ＬＥＤ−Ｂ（青紫ＬＥＤ）では、図７に示すように、順方向電流の増加とともにスペクトルから長波長成分が減少し、それに伴い半値幅が狭くなっている。ＬＥＤ−Ｃ（青ＬＥＤ）では、図８に示すように、順方向電流の増加とともに短波長成分が増加し、それに伴い半値幅が広くなっている。

図９は、ＬＥＤ−Ａ、ＬＥＤ−ＢおよびＬＥＤ−Ｃにおける、順方向電流と発光スペクトルのピーク波長との関係を示す。図１０は、順方向電流と発光スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を示す。

ＬＥＤ−Ｂ（青紫ＬＥＤ）とＬＥＤ−Ｃ（青ＬＥＤ）の発光スペクトルを解析したところ、順方向電流１ｍＡ〜１２０ｍＡの全範囲において良い２成分ガウシアンピーク分離が可能であった。図１２に、一例として、ＬＥＤ−Ｂに１ｍＡの順方向電流を印加した場合を示す。２成分ガウシアンピーク分離が可能ということは、換言すれば、スペクトルがダブルピークになっているということである。このことは、順方向電流に応じた発光スペクトルの変化が、２つの光学遷移モードに基づく発光の間の相対的な強度比が変化することによって起こっていることを示唆している。

（応用例）
図９および図１０が示すように、ＬＥＤ−Ａ（紫ＬＥＤ）では順方向電流の増加に伴う発光スペクトルのピーク波長および半値幅の変化は緩やかに見える。しかし、ＬＥＤ−Ａを青色蛍光体の励起源として用いるとき、この発光スペクトルの変化がもたらす影響は決して小さいものではない。なぜなら、ＢＡＭやＳＣＡといった汎用の青蛍光体は波長３９５〜４１５ｎｍの範囲で励起スペクトルの傾きが負であり、特に４１０ｎｍ以上では励起スペクトル強度が波長とともに急激に低下するからである。つまり、これらの蛍光体の励起効率は、紫ＬＥＤの発光ピークが長波長側に僅かにシフトすることにより大きく低下する。

励起スペクトルに関するこのような傾向は、ＢＡＭとＳＣＡだけではなくＥｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体とＥｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体に共通している。また、ＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体［一般式（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ］の励起スペクトルも同様の傾向を有している。

このことから、Ｅｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体またはＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体の励起源として紫発光するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを用いる発光装置では、光量調節したときにＬＥＤの発光ピーク波長が長波長シフトしないように、前述の制御システムを好ましく採用することができる。その場合は電流値制御回路により定められる所定レベルの電流を印加したときの発光ピーク波長が３９５〜４１０ｎｍ、好ましくは３９５〜４０５ｎｍの範囲内となるように、活性層のＩｎＧａＮ組成が設定されたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤを用いる。

一方、青発光するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤが放出する光の場合には、図８のＬＥＤ−Ｃの例が示すように、発光ピーク波長より長波長の成分（「長波長成分」）は順方向電流が変化しても実質的に変化しないが、発光ピーク波長より短波長の成分（「短波長成分」）は順方向電流の増加とともに増加する。このことは、かかるＬＥＤを、当該ＬＥＤが発する光の長波長成分よりも短波長成分によってより強く励起される蛍光体の励起源として用いる場合に問題となり得る。このような蛍光体の励起効率は、該短波長成分の増減により強く影響されるからである。

従って、この場合もＬＥＤの光量調節に前述の制御システムを用いて、ＬＥＤの放出光に常に短波長成分が十分に含まれるようにすることが望ましい。ＬＥＤ−Ｃを用いる場合を例にすると、図８から、電流値制御回路によってＬＥＤに供給する電流のレベルを８０ｍＡ以上、より好ましくは１００ｍＡ以上に設定する。活性層における電流密度に換算すると、８０ｍＡ以上は１１７Ａ／ｃｍ^２以上、１００ｍＡ以上は１４６Ａ／ｃｍ^２以上に相当する。

ＬＥＤが発する光の長波長成分よりも短波長成分によってより強く励起される蛍光体とは、例えば、該ＬＥＤの発光スペクトルの短波長側の半値波長をλ１、長波長側の半値波長をλ２としたとき、励起スペクトルのλ１における強度がλ２における強度よりも高い蛍光体である。ここで、λ１、λ２は電流値制御回路によって設定される所定レベルの電流をＬＥＤに供給したときの値である。

青発光するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤの発光ピーク波長は４４０〜４７０ｎｍであるから、波長４４０〜４７０ｎｍの範囲における励起スペクトルの平均的な傾きが負である蛍光体は大抵この条件を満たすであろう。また、Ｅｕを付活剤に含む蛍光体の多くは、励起スペクトルの強度が近紫外波長域から可視波長域にかけて低下する傾向を持つので、青ＬＥＤの発する光の長波長成分よりも短波長成分によってより強く励起される場合が多い。

青色ＬＥＤの発光波長域は、視感度が波長とともに著しく増加する波長域である。別の言い方をすれば、青色ＬＥＤの出す光には、視感度が低い短波長成分と、視感度の高い長波長成分とが含まれているともいえる。そのため、白色ＬＥＤへの応用においては、青色ＬＥＤの長波長成分よりも短波長成分によってより強くされる蛍光体を用いることが好ましい。そのような蛍光体を用いると、視感度の高い長波長成分が蛍光体の励起のために消費され難く、かつ、視感度の低い短波長成分が蛍光体の励起に有効活用されることになるからである。

このような蛍光体を用いて白色ＬＥＤを構成するときには、青色ＬＥＤの光が短波長成分を豊富に含むことが好ましい。ＬＥＤ−Ｃを高い電流密度で駆動したときのように、である。豊富な短波長成分が蛍光体によって波長の長い、視感度の高い光に変換されるので、明るい白色ＬＥＤが得られる。

図１１は上記手順により作製した発光ピーク波長約４４０ｎｍのｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤ（活性層面積：６８４００μｍ^２）である青ＬＥＤ（ＬＥＤ−Ｄ）に、パルス電流を印加したときの発光スペクトルである。パルス周期は１００ｍｓｅｃ、パルスオン時にＬＥＤに印加される順方向電流は１００ｍＡで、パルス幅は１ｍｓｅｃから９０ｍｓｅｃまで変化させている。

図１１に示すＬＥＤ−Ｄの発光スペクトルは、青ＬＥＤであるという点で共通（ただし、発光ピーク波長は異なる）するＬＥＤ−ＣにＣＷモードで電流印加した場合（図８）とは対照的である。図１１ではパルス幅が１０ｍｓｅｃ（平均電流１０ｍＡ）と９０ｍｓｅｃ（平均電流９０ｍＡ）のときの発光スペクトルの短波長側の半値波長は同じ４２６ｎｍであるのに、ＬＥＤ−ＣにＣＷモードで１０ｍＡと８０ｍＡの電流を印加したときの発光スペクトルの短波長側の半値波長はそれぞれ４４１ｎｍと４３４ｎｍである。

図１１における発光スペクトルの変化の傾向は、ＬＥＤ−Ｄを定電流駆動しながら環境温度を上昇させたときの変化とよく似ていた。このことは、図１１における発光スペクトルの変化にはパルス幅の変化だけではなく、それに伴う素子温度の変化が寄与している可能性を示唆している。ヒートシンクの容量を大きくする、あるいは、冷却機構を用いることによって、ＬＥＤの温度変化をより小さく抑えれば、光量変化に伴う発光スペクトルの変化はより小さくなる可能性がある。

１０、１１０、２１０ ｍ面ＧａＮ基板
２０、１２０、２２０ 積層構造
Ｅ１ ｎ側電極
Ｅ２、Ｅ２ａ、Ｅ２ｂ ｐ側電極

Claims (4)

1. 紫ＬＥＤと、該紫ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該紫ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備える発光装置において、
   該制御システムは、該紫ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、該紫ＬＥＤに供給される電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを備え、
   該紫ＬＥＤの光量は、該デューティ比制御回路により該比率を調整することにより調節され、
   該紫ＬＥＤは、該所定レベルの電流が印加されたときの発光スペクトルのピーク波長を３９５〜４１０ｎｍの範囲内に有するｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤであり、
   該蛍光体には、Ｅｕ付活アルミン酸塩系青蛍光体、Ｅｕ付活ハロリン酸塩系青蛍光体およびＥｕおよびＭｎ付活アルミン酸塩系緑蛍光体から選ばれる一種以上の蛍光体が含まれる、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 青ＬＥＤと、該青ＬＥＤの光量を制御する制御システムと、該青ＬＥＤにより励起される蛍光体とを備える発光装置において、
   該制御システムは、該青ＬＥＤに供給される電流を所定レベルに調整する電流値制御回路と、該青ＬＥＤに供給される電流のオン時間とオフ時間の比率を調整するデューティ比制御回路とを備え、
   該青ＬＥＤの光量は、該デューティ比制御回路により該比率を調整することにより調節され、
   該青ＬＥＤはｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤであり、
   該所定レベルの電流が該青ＬＥＤに供給されるときの該青ＬＥＤの活性層における電流密度が１１７Ａ／ｃｍ^２以上であり、
   該蛍光体には、該所定レベルの電流が供給されるときの該青ＬＥＤの発光スペクトルの短波長側の半値波長をλ１、長波長側の半値波長をλ２としたとき、励起スペクトルのλ１における強度がλ２における強度よりも高い蛍光体が含まれる、
   ことを特徴とする発光装置。
3. 励起スペクトルのλ１における強度がλ２における強度よりも高い蛍光体が、Ｅｕを付活剤に含む蛍光体を含む、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記ｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤが、ｍ面ＧａＮ系半導体基板を用いたｍ面ＩｎＧａＮ−ＬＥＤである、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。

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