JP3240926B2 - 発光素子 - Google Patents
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- Led Devices (AREA)
Description
蛍光体とを有機的に組合わせて種々の色を発光できるよ
うにした発光素子に関するものである。
光ダイオード(LED)がよく用いられている。LED
は発光層に用いる材料によって発光波長が決まり、発光
スペクトルの鋭い単色光が得られる。従来使用されてい
るLEDは、A1GaAs系の赤色LED、GaP系の
緑色LEDが―般的で、最近これにGaN系の青色LE
Dが加わって、赤、青、緑の光の3原色が揃い、LED
によるフルカラーディスプレイが可能になった。
得るものとして、蛍光体を利用した発光機器が使用され
ている。蛍光体を利用した発光機器には、低圧水銀放電
により放出される紫外線を励起光源とした蛍光ランプが
広く利用されている。
量、低消費電力、長寿命という利点がある反面、上述の
ように材料毎に発光波長が決まっており、また単色光し
か得られないため、様々な色の発光や、白色、中間色を
得るためには、異なる材料系で作成したLEDを組み合
わせて用いる必要があった。しかし、異なる材料系のL
EDを作成するためには、材料系毎に異なる結晶の作成
装置やプロセス装置を必要とするため、多大な費用、労
力、時間そして技術の蓄積が必要であった。
ためには、1つのLED内に複数個の異なる材料からな
るチップを搭載する必要があり、LEDの構造が複雑で
製作が難しく、従って高価であるとか、色合いの微調整
が難しいとかといった問題がある上、LEDの特性毎に
駆動回路を変えなければならなかった。このため、白色
や中間色を1種類だけ必要とするような用途には、LE
Dは不向きであり、これまで原色光の表示にしか用いら
れてこなかった。
えることで色合いの微妙な調整が可能であることから上
述した発光ダイオードのような不具合はないが、放電管
が必要なため小型化が難しく、また点灯のための電源回
路が必要であるという問題があった。また、LEDに較
べて寿命が短いという問題もあった。
点を解消して、簡単な構造で、LEDの長所を活かしつ
つ、これまでできなかった様々な色合いの光を出すこと
が可能な発光素子を提供することにある。
は、発光ダイオードのチップの光を取り出す表面に、該
発光ダイオードの発光により励起されて蛍光を発する、
導電性の蛍光体を積層し、該蛍光体の表面に電極を形成
したことを特徴とする発光素子である。導電性のある蛍
光体を用いて蛍光体上に電極を形成した場合には、蛍光
体を通じてLEDに通電することで、蛍光体の発光面積
を電極によって削られることなく、効率よく発光を得る
ことができる。
て、所望の波長の蛍光を発するものを選択して用いる。
これによりLEDの発光で蛍光体を励起すると、発光ダ
イオードの発光色と異なる発光色の光を出すことができ
る。したがって、LEDの種類、即ち材料を変えること
なく、チップ表面に積層する蛍光体を変えるだけという
簡単な構造で、LEDでは得られない様々な色合いの発
光素子を得ることができる。また、蛍光体をLEDチッ
プ上に直接積層することで、励起光線を効率よく利用す
ることができる。
線、紫外〜可視光線などがある。本発明では、このうち
LEDで発した紫外線〜可視光線を励起光として用い
る。特にGaN系結晶を用いて作成した紫外線発光LE
D上に、紫外線で励起されて可視光を発する蛍光体、例
えばY2 O3 :Eu(発光色:赤)、(Sr,Mg,B
a)3 (Po4 )2 (発光色:橙)、ZnS:Cu(発
光色:緑)、3Sr3 (Po4 )2 ・CaCl2 :Eu
2+(発光色:青)、ハロリン酸塩系蛍光体(付活剤のS
b3+とMn2+および母体中のFとClの比率を変えるこ
とによって、青白色〜温白色まで変えることが可能)な
どを積層して用いる。また、これら以外の蛍光色を発す
る公知の蛍光体も使用できる。
のチップの光を取り出す表面に、該発光ダイオードの発
光により励起されて蛍光を発する、導電性の蛍光体を含
有する層を積層し、該蛍光体の表面に電極を形成したこ
とを特徴とする発光素子である。蛍光体を直接チップ面
に積層するのではなく、蛍光体を含有する層を積層する
場合には、発光ダイオードの結晶作製工程と同様な工程
を使って蛍光体含有層を積層することが可能となるの
で、製造工程の簡素化が図れる。導電性のある蛍光体を
用いて蛍光体上に電極を形成した場合には、蛍光体を通
じてLEDに通電することで、蛍光体の発光面積を電極
によって削られることなく、効率よく発光を得ることが
できる。
2に記載の発光素子において、前記蛍光体に、異なる発
光ピークを有する蛍光体を2種類以上混ぜて用いること
を特徴とする発光素子である。異なる発光ピークを有す
る蛍光体を2種類以上混ぜて用いると、複数の発光ピー
クを持つ光を出すことができ、中間色も容易に得られ
る。
3のいずれかに記載の発光素子において、発光ダイオー
ドはIII族窒化物系の材料により構成され、励起光とし
て紫外線を発光することを特徴とする発光素子である。
紫外線を発光するIII族窒化物系の材料より構成された
発光ダイオードを使用した場合には、蛍光体の発光効率
がよくなる。
を用いて説明する。図1は本実施の形態による発光素子
の構造図である。
ァイア基板1上に有機金属気相成長法(MOVPE法)
を用いて、Siドープn型GaN層2、Siドープn型
AlGaN層3、アンドープGaN層4、Mgドープp
型AlGaN層5、Mgドープp型GaN層6をこの順
に積層する。積層する結晶は、Mgドープ層5、6をp
型化させるために、窒素雰囲気中で熱処理を加える。な
お、これらGaN系材料を積層して成長し、LEDを作
成する技術は公知であり、例えばAppl.Physi
cs Letter 64(13),1994,pp1
687−1689ya,J.Crysta1 Grow
th 145(1994)pp911−917などに詳
しく開示されている。
化させた段階で、結晶表面の一部をエッチングによりn
型GaN層2に到達するまで掘り下げ、n型GaN層2
の上にn側電極9を、そしてp型GaN層6上にp側電
極8をそれぞれ形成すると、DH(ダブルヘテロ)構造
のGaN系LEDができる。こうして作成したLEDの
電極8、9にワイヤ10をボンディングして通電する
と、活性層のバンド構造に対応した発光が得られる。本
実施の形態例では、活性層をアンドープGaN層4とし
たことで、GaNのバンドギャップエネルギーに対応し
た、ピーク波長360nmの紫外線発光が得られた。得ら
れた発光スペクトルを図2に示す。
光する本発明の実施の形態にかかる発光素子を、次のよ
うにして作製した。上述の方法で作成したGaN系LE
D上に、蛍光体Y2 O3 :Eu3+の粉末をポリビニルア
ルコールに混ぜ、重クロム酸塩を微量混ぜて分散させた
ものをスピンコートした。これにマスクパターンをか
け、紫外線露光を行って、蛍光体層7として残したい部
分だけを固化させ、不要な部分を有機溶剤で洗い流し
た。最後に、不要な有機溶剤を除去するため、200℃
の乾燥機中で乾燥させた。こうして作成した発光素子の
発光スペクトルを図3に示す。発光はピーク波長611
nmの橙であった。
o4 )2 ・CaCl2 :Eu2+を用いて作成した発光素
子の発光スペクトルを図4に示す。この発光素子の発光
スペクトルは、ピーク波長452nmの青色であった。
a3 (Po4 )2 ・Ca(F,Cl)2 :Sb3+,Mn
2+を用いて作成した発光素子の発光スペクトルを図5に
示す。この発光素子の発光スペクトルは、480nmと5
76nmの2つのピーク波長をもち、白色光であった。
成したLED上に異なる蛍光体材料を積層することで、
様々な色の発光素子を得ることができる。
光素子の構造例を図6を用いて述べる。
成するためのサファイア基板1上にGaN系材料層2〜
6を積層成長させ、これに熱処理を加えてp型層6を低
抵抗化させた。さらにその上に、気相成長法で蛍光体層
としてZnS:Cu層17を成長させた。その後、フォ
トリソグラフィ技術と反応性気相エッチング(RIE)
技術を用いて結晶の結晶表面の―部をエッチングにより
n型GaN層2に到達するまで掘り下げ、n型GaN層
2の上にn側電極9を、そしてZnS:Cu層17の上
にp側電極8を形成して発光素子を作成した。この発光
素子は、ピーク波長530nmの緑色発光を示した。この
ように蛍光体層が導電性を有する場合は、蛍光体層上に
電極8を形成することも可能である。
れば、発光ダイオードと蛍光体とを有機的に組合わせた
ので、小形、軽量、低消費電力、長寿命といったLED
の長所をそのまま生かしながら、従来のLEDでは実現
できなかった色合いの発光素子が容易に得られる。
ことにより、種々の色の発光素子を容易に得ることがで
きるため、従来では種々の色の発光素子を作製するため
に、発光色毎に材料を変え、材料毎にLED製造装置を
揃えて、製造技術を立上げていかなければならなかった
ものが、製造に必要な装置が少なくて済み、製造工程が
簡略化できるため、製造コストを大幅に低減できる。
LEDの特性は変らないため、電気特性が同じで蛍光色
だけが異なる発光素子を容易に得ることができる。この
ため、発光色の異なる素子を組合わせて使う際に、従来
はLEDの特性毎に駆動回路を変えなければならなかっ
たものが、全て同じ駆動回路で発光させることができる
ようになり、駆動系の簡素化が図れる。
め、これまでLEDが使われていなかった照明などの分
野にも適用することができる。
発光により励起されて蛍光を発するものならばいずれで
も良い。またLEDの発光により励起されてりん光を発
する材料(夜光塗料等)もここでは蛍光体材料に含まれ
る。
いる蛍光体に合わせて蛍光体の励起に最適なもの、例え
ばAlGaAs、GaP系などを選べば良く、特定のも
のに限定されない。ただし、蛍光体の励起光としては、
可視光よりも紫外線の方が効率が良く、紫外線を発する
LEDの材料としては、今のところGaN系材料が最も
高効率である。
体の励起光吸収率に合わせて最適値を選べば良く、限定
されるものではない。
実施の形態で述べたような塗布による方法だけでなく、
蛍光体だけを直接蒸着やスパッタ法で積層したり、チッ
プ上にSiO2 やAl2 O3 等をCVD法で積層する際
に蛍光体をドープして積層することができる。発光素子
の蛍光体層表面に、保護膜や光の屈折率を制御するため
の膜を設けることも可能である。
子として広く用いられているLEDと同様の用途に用い
ることができるほか、発光色が中間色の発光素子が得ら
れることから、これまでLEDが利用されていなかった
多色を必要とする機器の表示灯や照明灯にまで幅広く応
用することが可能である。
体をLEDで励起して発光させるという簡単な構造で、
小形、軽量、低消費電力、長寿命といったLEDの長所
をそのまま生かしながら、従来のLEDでは実現できな
かった白色、中間色を含む様々な色合いの光を発するこ
とができる。また、LEDの材料や構造を変えず、蛍光
体材料を変えるだけで、種々の色を発光することができ
る。
を示す図である。
る。
発明の実施の形態例にかかる発光素子の発光スペクトル
である。
Eu2+を用いて作成した本発明の実施の形態例にかかる
発光素子の発光スペクトルである。
l)2 :Sb3+,Mn2+を用いて作成した本発明の実施
の形態例にかかる発光素子の発光スペクトルである。
構造を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】発光ダイオードのチップの光を取り出す表
面に、該発光ダイオードの発光により励起されて蛍光を
発する、導電性の蛍光体を積層し、該蛍光体の表面に電
極を形成したことを特徴とする発光素子。 - 【請求項2】発光ダイオードのチップを取り出す表面
に、該発光ダイオードの発光により励起されて蛍光を発
する、導電性の蛍光体を含有する層を積層し、該蛍光体
を含有する層の表面に電極を形成したことを特徴とする
発光素子。 - 【請求項3】請求項1または2に記載の発光素子におい
て、前記蛍光体に、異なる発光ピークを有する蛍光体を
2種類以上混ぜて用いることを特徴とする発光素子。 - 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載の発光
素子において、発光ダイオードはIII族窒化物系の材料
により構成され、励起光として紫外線を発光することを
特徴とする発光素子。
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