JP3700502B2 - 発光ダイオード - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照光式スイッチ及び各種インジケータなどに利用される発光ダイオードに関し、特に発光素子が発生する光の波長を変換して発光するフォトルミネセンス蛍光体を備えた発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、小型で、効率が良く鮮やかな色の光の発光が可能で、半導体素子であるため、球切れの心配がなく、初期駆動特性及び耐震性に優れ、さらにＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに強いという特長を有する。そのため、各種インジケータや種々の光源として広く利用されている。また、最近では、超高輝度、高効率なＲＧＢ(赤、緑、青色)の発光ダイオードがそれぞれ開発され、これらの発光ダイオードを用いた大画面のＬＥＤディスプレーが使用されるようになった。このＬＥＤディスプレーは、少ない電力で動作させることができ、軽量でしかも長寿命であるという優れた特性を有し、今後益々使用されるものと期待される。
【０００３】
さらに、最近では、発光ダイオードを用いて、白色発光光源を構成する試みが種々なされている。発光ダイオードを用いて白色光を得るためには、発光ダイオードが単色性ピーク波長を有するので、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの発光素子を近接して設けて発光させて拡散混色する必要がある。このような構成によって白色光を発生させようとした場合、発光素子の色調や輝度等のバラツキにより所望の白色を発生させることができないという問題点があった。また、発光素子がそれぞれ異なる材料を用いて形成されている場合、各発光素子の駆動電力などが異なり個々に所定の電圧を印加する必要があり、駆動回路が複雑になるという問題点があった。さらに、発光素子が半導体発光素子であるため、個々に温度特性や経時変化が異なり、色調が使用環境によって変化したり、各発光素子によって発生される光を均一に混色させる事ができずに色むらを生ずる場合がある等の多くの問題点を抱えていた。すなわち、発光ダイオードは、個々の色を発光させる発光装置としては有効であったが、発光素子を用いて白色光を発生させることができる満足な光源は得られていなかった。
【０００４】
そこで、本出願人は先に発光素子によって発生された光が、蛍光体で色変換されて出力される発光ダイオードを、特開平５−１５２６０９号公報、特開平７−９９３４５号公報、特開平７−１７６７９４号公報、特開平８−８６１４号公報などにおいて発表した。これらに開示された発光ダイオードは、１種類の発光素子を用いて白色系など他の発光色を発光させることができるというものであり、以下のように構成される。
上記公報に開示された発光ダイオードは、具体的には、発光層のエネルギーバンドギャッブが大きい発光素子をリードフレームの先端に設けられたカップ上に配置し、発光素子を被覆する樹脂モールド部材中に発光素子からの光を吸収して、吸収した光と波長の異なる光を発光する（波長変換）蛍光体を含有させて構成する。
【０００５】
上述の開示された発光ダイオードにおいて、発光素子として、青色系の発光が可能な発光素子を用いて、該発光素子をその発光を吸収して黄色系の光を発光する蛍光体を含有した樹脂によってモールドすることにより、混色により白色系の光が発光可能な発光ダイオードを作製することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
【０００８】
しかしながら、従来の発光ダイオードは以下のような問題点もあった。
すなわち、従来の発光ダイオードは、蛍光体の劣化によって色調がずれたり、あるいは蛍光体が黒ずみ光の外部取り出し効率が低下する場合があるという問題点があった。ここで、黒ずむというのは、例えば、（Ｃｄ，Ｚｎ）Ｓ蛍光体等の無機系の蛍光体を用いた場合には、この蛍光体を構成する金属元素の一部が析出したり変質したりして着色することであり、また、有機系の蛍光体材料を用いた場合には、２重結合が切れる等により着色することをいう。特に、発光素子である高エネルギーバンドギャッブを有する半導体を用い、蛍光体の変換効率を向上させた場合（すなわち、半導体によって発光される光のエネルギーが高くなり、蛍光体が吸収することができるしきい値以上の光が増加し、より多くの光が吸収されるようになる。）、又は蛍光体の使用量を減らした場合（すなわち、相対的に蛍光体に照射されるエネルギー量が多くなる。）等においては、蛍光体が吸収する光のエネルギーが必然的に高くなるので、蛍光体の劣化が著しい。
また、発光素子の発光強度を更に高め長期にわたって使用すると、蛍光体の劣化がさらに激しくなる。
【０００９】
また、発光素子の近傍に設けられた蛍光体は、発光素子の温度上昇や外部環境（例えば、屋外で使用された場合の太陽光によるもの等）によって高温にもさらされ、この熱によって劣化する場合がある。
さらに、蛍光体によっては、外部から侵入する水分や、製造時に内部に含まれた水分と、上記光及び熱とによって、劣化が促進されるものもある。 またさらに、イオン性の有機染料を使用すると、チップ近傍では直流電界により電気泳動を起こし、色調が変化する場合がある等である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光ダイオードは、以下のように構成される。
すなわち、量子井戸構造をとると共に、発光層がＩｎを含む窒化ガリウム系半導体から成り、４２０〜４９０ｎｍの範囲に発光スペクトルのピークを有するＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップの近傍に配置された透光性樹脂と、
前記透光性樹脂に含有されるフォトルミネッセンスの蛍光体であって、前記ＬＥＤチップの青色発光を一部吸収して、５３０〜５７０ｎｍにピークを有し、少なくとも７００ｎｍまで裾をひく発光スペクトルを発光可能であり、ガーネット構造をとると共にセリウムを含有するフォトルミネッセンスの蛍光体と、を具え、
前記ＬＥＤチップから出て前記フォトルミネッセンスの蛍光体に吸収されずに通過した光の発光スペクトルと、前記フォトルミネッセンスの蛍光体から出た光の発光スペクトルとが互いに重なり合い、両発光スペクトルの混合により白色系の光を発光可能なことを特徴とする発光ダイオード。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
本発明の発光ダイオードは、高輝度の発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を用いているので、高輝度の発光をさせることができる。また、該発光ダイオードにおいて、使用している前記フォトルミネッセンス蛍光体は、長時間、強い光にさらされても蛍光特性の変化が少ない極めて耐光性に優れたものを用いることにより、長時間の使用に対して特性劣化を少なくでき、発光素子からの強い光のみならず、野外使用時等における外来光（紫外線を含む太陽光等）による劣化も少なくでき、色ずれや輝度低下が極めて少ない発光ダイオードを提供できる。
【００１８】
また、この本発明の発光装置は、使用している前記フォトルミネッセンス蛍光体が、短残光であると、例えば、１２０ｎｓｅｃという比較的速い応答速度が要求される用途にも使用することができる。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
また、一般的に蛍光体では、短波長の光を吸収して長波長の光を発光するものの方が、長波長の光を吸収して短波長の光を発光するものに比較して効率がよい。発光素子としては、樹脂（モールド部材やコーティング部材等）を劣化させる紫外光を発光するものより可視光を発光するものを用いる方が好ましい。従って、本発明の発光ダイオードにおいては、発光効率の向上及び長寿命化のために、前記発光素子の発光スペクトルの主ピークを、可視光のうちで比較的短波長の４２０ｎｍから４９０ｎｍの範囲内に設定し、かつ前記フォトルミネッセンス蛍光体の主発光波長を前記発光素子の主ピークより長く設定することが好ましい。また、このようにすることにより、蛍光体により変換された光は、発光素子が発光する光よりも長波長であるため、蛍光体等により反射された変換後の光が発光素子に照射されても、発光素子によって吸収されることはない（バンドギャップエネルギーより変換された光のエネルギーの方が小さいため）。このように、蛍光体等により反射された光は、発光素子を載置したカップにより反射され、さらに効率のよい発光が可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の説明をする。
図１の発光ダイオード１００は、マウント・リード１０５とインナーリード１０６とを備えたリードタイプの発光ダイオードであって、マウント・リード１０５のカップ部１０５ａ上に発光素子１０２が設けられ、カップ部１０５ａ内に、発光素子１０２を覆うように、所定のフォトルミネッセンス蛍光体を含むコーティング樹脂１０１が充填された後に、樹脂モールドされて構成される。ここで、発光素子１０２のｎ側電極及びｐ側電極はそれぞれ、マウント・リード１０５とインナーリード１０６とにワイヤー１０３を用いて接続される。
【００２８】
以上のように構成された発光ダイオードにおいては、発光素子（ＬＥＤチップ）１０２によって発光された光（以下、ＬＥＤ光という。）の一部が、コーティング樹脂１０１に含まれたフォトルミネッセンス蛍光体を励起してＬＥＤ光と異なる波長の蛍光を発生させて、フォトルミネッセンス蛍光体が発生する蛍光と、フォトルミネッセンス蛍光体の励起に寄与することなく出力されるＬＥＤ光とが混色されて出力される。その結果、発光ダイオード１００は、発光素子１０２が発生するＬＥＤ光とは波長の異なる光も出力する。
【００２９】
また、図２に示すものはチップタイプの発光ダイオードであって、筺体２０４の凹部に発光素子（ＬＥＤチップ）２０２が設けられ、該凹部に所定のフォトルミネッセンス蛍光体を含むコーティング材が充填されてコーティング部２０１が形成されて構成される。ここで、発光素子２０２は、例えばＡｇを含有させたエポキシ樹脂等を用いて固定され、該発光素子２０２のｎ側電極とｐ側電極とをそれぞれ、筺体２０４に設けられた端子金属２０５に、導電性ワイヤー２０３を用いて接続される。 以上のように構成されたチップタイプの発光ダイオードにおいて、図１のリードタイプの発光ダイオードと同様に、フォトルミネッセンス蛍光体が発生する蛍光と、フォトルミネッセンス蛍光体に吸収されることなく伝搬されたＬＥＤ光とが混色されて出力され、その結果、発光ダイオード２００は、発光素子１０２が発生するＬＥＤ光とは波長の異なる光も出力する。
【００３０】
以上説明したフォトルミネセンス蛍光体を備えた発光ダイオードは、以下のような特徴を有する。
１，通常、発光素子（ＬＥＤ）から放出される光は、発光素子に電力を供給する電極を介して放出される。放出された光は、発光素子に形成された電極の陰となり、特定の発光パターンを有し、そのために全ての方向に均一に放出されない。しかしながら、蛍光体を備えた発光ダイオードは、蛍光体により発光素子からの光を散乱させて光を放出するので、不要な発光パターンを形成することなく、広い範囲に均一に光を放出することができる。
【００３１】
２．発光素子（ＬＥＤ）からの光は、単色性ピークを有するといっても、ある程度のスペクトル幅をもつので演色性が高い。このことは、比較的広い範囲の波長を必要とする光源として使用する場合には欠かせない長所になる。例えば、スキャナーの光源等に用いる場合は、スペクトル幅が広いほうが好ましい。
以下に説明する実施形態１，２の発光ダイオードは、図１又は図２に示す構造を有する発光ダイオードにおいて、可視光域における光エネルギーが比較的高い窒化物系化合物半導体を用いた発光素子と、特定のフォトルミネッセンス蛍光体とを組み合わせたことを特徴とし、これによって、高輝度の発光を可能にし、長時間の使用に対して発光効率の低下や色ずれが少ないという良好な特性を有する。
【００３２】
一般的に蛍光体においては、短い波長の光を吸収して長い波長の光を放出する蛍光体の方が、長い波長の光を吸収して短い光を放出する蛍光体に比較して変換効率が優れているので、本発明の発光ダイオードにおいては、短い波長の青色系の発光が可能な窒化ガリウム系半導体発光素子（発光素子）を用いることが好ましい。また、高い輝度の発光素子を用いることが好ましいことは言うまでもない。
【００３３】
このような窒化ガリウム系半導体発光素子と組み合わせて用いるのに適したフォトルミネセンス蛍光体としては、
１．発光素子１０２，２０２に近接して設けられ、太陽光の約３０倍から４０倍にもおよぶ強い光にさらされることになるので、強い強度の光の照射に対して長時間耐え得るように、耐光性に優れていること。
２．発光素子１０２，２０２によって励起するために、発光素子の発光で効率よく発光すること。特に、混色を利用する場合、紫外線ではなく青色系発光で効率よく発光すること。
３．青色系の光と混色されて白色になるように、緑色系から赤色系の光が発光可能なこと。
４．発光素子１０２，２０２に近接して設けられ、該チップを発光させる際の発熱による温度変化の影響を受けるので、温度特性が良好であること。
５．色調が組成比あるいは複数の蛍光体の混合比を変化させることにより、連続的に変化させることができること。
６．発光ダイオードが使用される環境に応じた耐候性があること、
などの特性が要求される。
【００３４】
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の発光ダイオードは、発光層に高エネルギーバンドギャッブを有し、青色系の発光が可能な窒化ガリウム系化合物半導体素子と、黄色系の発光が可能なフォトルミネセンス蛍光体である、セリウムで付活されたガーネット系フォトルミネッセンス蛍光体とを組み合わせたものである。これによって、この実施形態１の発光ダイオードにおいて、発光素子１０２，２０２からの青色系の発光と、その発光によって励起されたフォトルミネセンス蛍光体からの黄色系の発光光との混色により白色系の発光が可能になる。
【００３５】
また、この実施形態１の発光ダイオードに用いた、セリウムで付活されたガーネット系フォトルミネッセンス蛍光体は耐光性及び耐候性を有するので、発光素子１０２，２０２から放出された可視光域における高エネルギー光を長時間その近傍で高輝度に照射した場合であっても発光色の色ずれや発光輝度の低下が極めて少ない白色光が発光できる。
以下、本実施形態１の発光ダイオードの各構成部材について詳述する。
【００３６】
(フォトルミネセンス蛍光体)
本実施形態１の発光ダイオードに用いられるフォトルミネセンス蛍光体は、半導体発光層から発光された可視光や紫外線で励起されて、励起した光と異なる波長を有する光を発光するフォトルミネセンス蛍光体である。具体的にはフォトルミネセンス蛍光体として、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍから選択された少なくとも１つの元素と、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎから選択された少なくとも１つの元素とを含み、セリウムで付活されたガーネット系蛍光体である。本発明では、該蛍光体として、ＹとＡｌを含みセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、又は、一般式（Ｒｅ1-rＳｍr）3（Ａｌ1-sＧａs)5Ｏ12：Ｃｅ(但し、０≦ｒ＜１、０≦ｓ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄから選択される少なくともー種）であらわされる蛍光体を用いることが好ましい。窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が発光するＬＥＤ光と、ボディーカラーが黄色であるフォトルミネセンス蛍光体が発光する蛍光光が補色関係にある場合、ＬＥＤ光と、蛍光光とを混色して出力することにより、全体として白色系の光を出力することができる。
【００３７】
本実施形態１において、このフォトルミネセンス蛍光体は、上述したように、コーテイング樹脂１０１，コーテイング部２０１を形成する樹脂（詳細は後述する）に混合して使用されるので、窒化ガリウム系発光素子の発光波長に対応させて、樹脂などとの混合比率、若しくはカップ部１０５又は筺体２０４の凹部への充填量を種々調整することにより、発光ダイオードの色調を、白色を含め電球色など任意に設定できる。
【００３８】
このフォトルミネセンス蛍光体の含有分布は、混色性や耐久性にも影響する。例えば、フォトルミネセンス蛍光体が含有されたコーティング部やモールド部材の表面側から発光素子に向かってフォトルミネセンス蛍光体の分布濃度を高くした場合は、外部環境からの水分などの影響をより受けにくくでき、水分による劣化を防止することができる。他方、フォトルミネセンス蛍光体を、発光素子からモールド部材等の表面側に向かって分布濃度が高くなるように分布させると、外部環境からの水分の影響を受けやすいが発光素子からの発熱、照射強度などの影響をより少なくでき、フォトルミネセンス蛍光体の劣化を抑制することができる。このような、フォトルミネセンス蛍光体の分布は、フォトルミネセンス蛍光体を含有する部材、形成温度、粘度やフォトルミネセンス蛍光体の形状、粒度分布などを調整することによって種々の分布を実現することができ、発光ダイオードの使用条件などを考慮して分布状態が設定される。
【００３９】
実施形態１のフォトルミネセンス蛍光体は、発光素子１０２，２０２と接したり、あるいは近接して配置され、照射強度（Ｅｅ）として、３Ｗ・ｃｍ-2以上１０Ｗ・ｃｍ-2以下においても高効率でかつ十分な耐光性を有するので、該蛍光体を用いることにより、優れた発光特性の発光ダイオードを構成することができる。
【００４０】
また、実施形態１のフォトルミネセンス蛍光体は、ガーネット構造を有するので、熱、光及び水分に強く、図３（ａ）に示すように、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にすることができる。また、発光ピークも図３（ｂ）に示すように、５７０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持つ。また、実施形態１のフォトルミネッセンス蛍光体は、結晶中にＧｄを含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域における励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が、長波長に移動し、全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄによる置換量を多くすることで達成することができる。一方、Ｇｄが増加するするとともに、青色光によるフォトルミネッセンスの発光輝度は低下する傾向にある。
【００４１】
特に、ガーネット構造を有するＹＡＧ系蛍光体の組成の内、Ａｌの一部をＧａで置換することで、発光波長が、短波長側にシフトするまた組成のＹの一部をＧｄで置換することにより、発光波長が長波長側にシフトする。 表１に一般式（Ｙ1-aＧｄa）3（Ａｌ1-bＧａb）5Ｏ12：Ｃｅで表されるＹＡＧ系蛍光体の組成とその発光特性を示す。
【００４２】
表１
Figure 0003700502
【００４３】
表１に示した各特性は、４６０ｎｍの青色光で励起して測定した。又表１における輝度と効率は１）の材料を１００として相対値で示している。
ＡｌをＧａによって置換する場合、発光効率と発光波長を考慮してＧａ：Ａｌ＝１：１から４：６の間の比率に設定することが好ましい。同様に、Ｙの一部をＧｄで置換する場合は、Ｙ：Ｇｄ＝９：１〜１：９の範囲の比率に設定することが好ましく、４：１〜２：３の範囲に設定することがより好ましい。Ｇｄの置換量が２割未満では、緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるからであり、Ｇｄの置換量が６割以上になると、赤み成分を増やすことができるが、輝度が急激に低下する。
【００４４】
特に、発光素子の発光波長によるがＹＡＧ系蛍光体中のＹとＧｄとの比率を、Ｙ：Ｇｄ＝４：１〜２：３の範囲に設定することにより、１種類のイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を用いて黒体放射軌跡にほぼ沿った白色光の発光が可能な発光ダイオードを構成することができる。また、ＹＡＧ系蛍光体中のＹとＧｄとの比率を、Ｙ：Ｇｄ＝２：３〜１：４の範囲に設定すると、輝度は低いが電球色の発光が可能な発光ダイオードを構成することができる。尚、Ｃｅの含有量（置換量）は、０．００３〜０．２の範囲に設定することにより、発光ダイオードの相対発光光度を７０％以上にできる。含有量が０．００３未満では、Ｃｅによるフォトルミネッセンスの励起発光中心の数が減少することにより光度が低下し、逆に０．２より大きくなると濃度消光が生じる。
【００４５】
以上のように、組成のＡｌのー部をＧａで置換することにより発光波長を短波長にシフトさせることができ、また、組成のＹのー部をＧｄで置換することで、発光波長を長波長へシフトさせることができる。このように組成を変化することで発光色を連続的に調節することが可能である。また、波長が２５４ｎｍや３６５ｎｍであるＨｇ輝線ではほとんど励起されず４５０ｎｍ付近の青色系発光素子からのＬＥＤ光による励起効率が高い。さらに、ピーク波長がＧｄの組成比で連続的に変えられるなど窒化物半導体発光素子の青色系発光を白色系発光に変換するための理想条件を備えている。
【００４６】
また、実施形態１では、窒化ガリウム系半導体を用いた発光素子と、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体（ＹＡＧ）に希土類元素のサマリウム（Ｓｍ）を含有させたフォトルミネセンス蛍光体とを組み合わせることにより、発光ダイオードの発光効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを所定の化学量論比で十分に混合して混合原料を作製し、作製された混合原料に、フラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でポールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことにより作製できる。
【００４８】
上述の作製方法において、混合原料は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合することにより作製してもよい。
【００４９】
一般式（Ｙ1-p-q-rＧｄpＣｅqＳｍr）3Ａｌ5Ｏ12で表すことができるフォトルミネセンス蛍光体は、結晶中にＧｄを含有することにより、特に４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。また、ガドリニウムの含有量を増加させることにより、発光ピーク波長を、５３０ｎｍから５７０ｎｍまで長波長に移動させ、全体の発光波長も長波長側にシフトさせることができる。赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は徐々に低下する。したがって、ｐは０．８以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。さらに好ましくは０．６以下である。
【００５０】
また、一般式（Ｙ1-p-q-rＧｄpＣｅqＳｍr）3Ａｌ5Ｏ12で表されるＳｍを含むフォトルミネセンス蛍光体は、Ｇｄの含有量を増加させても温度特性の低下を少なくできる。すなわち、Ｓｍを含有させることにより、高温度におけるフォトルミネセンス蛍光体の発光輝度の劣化は大幅に改善される。その改善される程度はＧｄの含有量が多くなるほど、大きくなる。特に、Ｇｄの含有量を増加させてフォトルミネセンスの発光の色調に赤みを付与した組成の蛍光体は、温度特性が悪くなるので、Ｓｍを含有させて温度特性を改善することが有効である。なお、ここで言う温度特性とは、４５０ｎｍの青色光による常温(２５℃)における励起発光輝度に対する、同蛍光体の高温（２００℃)における発光輝度の相対値（％）のことである。 Ｓｍの含有量ｒは０．０００３≦ｒ≦０．０８の範囲であることが好ましく、これによって温度特性を６０％以上にすることができる。この範囲よりｒが小さいと、温度特性の改良効果が小さくなる。また、この範囲よりｒが大きくなると温度特性は逆に低下してくる。また、Ｓｍの含有量ｒは０．０００７≦ｒ≦０．０２の範囲であることがさらに好ましく、これによって温度特性は８０％以上にできる。
【００５１】
Ｃｅの含有量ｑは、０．００３≦ｑ≦０．２の範囲であることが好ましく、これによって、相対発光輝度が７０％以上にできる。ここで、相対発光輝度とは、ｑ＝０．０３の蛍光体の発光輝度を１００パーセントとした場合における発光輝度のことをいう。
Ｃｅの含有量ｑが０．００３以下では、Ｃｅによるフォトルミネセンスの励起発光中心の数が減少するために輝度が低下し、逆に、０．２より大きくなると濃度消光が生ずる。ここで、濃度消光とは、蛍光体の輝度を高めるために付活剤の濃度を増加していくとある最適値以上の濃度では発光強度が低下することである。
【００５２】
本発明の発光ダイオードにおいては、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種類以上の（Ｙ1-p-q-rＧｄpＣｅqＳｍr）3Ａｌ5Ｏ12フォトルミネセンス蛍光体を混合して用いてもよい。これによって、蛍光発光中のＲＧＢの波長成分を増やすことができ、これに、例えばカラーフィルターを用いることによりフルカラー液晶表示装置用としても利用できる。また、本発明の発光ダイオードにおいて、フォトルミネッセンス蛍光体は、それぞれＹとＡｌとを含んでなる互いに組成の異なる２以上の、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を含むようにしてもよい。これによって、発光素子の特性（発光波長）に対応して、フォトルミネッセンス蛍光体の発光スペクトルを調整して、所望の発光色の発光をさせることができる。さらに、本発明の発光ダイオードでは、発光装置の発光波長を所定の値に設定するために、前記フォトルミネッセンス蛍光体は、それぞれ一般式（Ｒｅ 1-r Ｓｍ r ） 3 （Ａｌ 1-s Ｇａ s ） 5 Ｏ 12 ：Ｃｅ（ただし、０≦ｒ＜１、０≦ｓ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄから選択される少なくとも一種である。）で表され、互いに組成の異なる２以上の蛍光体を含むことが好ましい。また、本発明の発光ダイオードにおいては、発光波長を調整するために前記フォトルミネッセンス蛍光体は、一般式Ｙ 3 （Ａｌ 1-s Ｇａ s ） 5 Ｏ 12 ：Ｃｅで表される第１の蛍光体と、一般式Ｒｅ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：Ｃｅで表される第２の蛍光体とを含んでもよい。但し、０≦ｓ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇａ、Ｌａから選択される少なくとも一種である。また、本発明の発光ダイオードにおいては、発光波長を調整するために、前記フォトルミネッセンス蛍光体は、それぞれイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体において、イットリウムの一部がガドリニウムに置換され、互いに置換量が異なる第１の蛍光体と第２の蛍光体とを含むようにしてもよい。
【００５３】
（発光素子１０２、２０２）
発光素子は、図１及び図２に示すように、モールド部材に埋設されることが好ましい。本発明の発光ダイオードに用いられる発光素子は、セリウムで付活されたガーネット系蛍光体を効率良く励起できる窒化ガリウム系化合物半導体である。窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子１０２，２０２は、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＩｎＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体を発光層として形成することにより作製される。発光素子の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造ヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる程度に薄く形成した単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。特に、本発明においては、発光素子の活性層をＩｎＧａＮの単一量子井戸構造とすることにより、フォトルミネセンス蛍光体の劣化がなく、より高輝度に発光する発光ダイオードとして利用することができる。
【００５４】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が用いることができるが、結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基坂上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を介してＰＮ接合を形成するように窒化ガリウム半導体層を形成する。窒化ガリウム系半導体は、不純物をドーブしない状態でＮ型導電性を示すが、発光効率を向上させるなど所望の特性（キャリヤ濃度等）のＮ型窒化ガリウム半導体を形成するためには、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜ドープすることが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム半導体を形成する場合は、ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープする。尚、窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドーブしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等によりｐ型化させることが好ましい。エッチングなどによりｐ型及びＮ型の窒化ガリウム半導体の表面を露出させた後、各半導体層上にスバッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成する。
【００５５】
次に、以上のようにして形成された半導体ウエハー等を、ダイシングソーにより直接フルカットする方法、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後(ハーフカット)、外力によって半導体ウエハーを割る方法、あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン(経線)を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割る方法等を用いて、半導体ウエハーをチップ状にカットする。このようにして窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を形成することができる。
【００５６】
本実施形態１の発光ダイオードにおいて白色系を発光させる場合は、フォトルミネセンス蛍光体との補色関係や樹脂の劣化等を考慮して発光素子の発光波長は４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下に設定する。発光素子とフォトルミネセンス蛍光体との効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下に設定することがさらに好ましい。実施形態１の白色系発光ダイオードの発光スペクトルの一例を図４に示す。ここに例示した発光ダイオードは、図１に示すリードタイプのものであって、後述する実施例１の発光素子とフォトルミネッセンス蛍光体とを用いたものである。ここで、図４において、４５０ｎｍ付近にピークを持つ発光が発光素子からの発光であり、５７０ｎｍ付近にピークを持つ発光が発光素子によって励起されたフォトルミネセンスの発光である。
【００５７】
また、表１に示した蛍光体とピーク波長４６５ｎｍの青色ＬＥＤ（発光素子）とを組み合わせた白色系発光ダイオードで、実現できる色再現範囲を図１３に示す。この白色系発光ダイオードの発光色は、青色ＬＥＤ起源の色度点と蛍光体起源の色度点とを結ぶ直線上のいずれかに位置するので、表１の１）〜７）の蛍光体を使用することにより、色度図中央部の広範な白色領域（図１３中斜線を付した部分）をすべてカバーすることができる。図１６は、白色系発光ダイオードにおける蛍光体の含有量を変化させた時の発光色の変化を示したものである。ここで、蛍光体の含有量は、コーティング部に使用する樹脂に対する重量パーセントで示している。図１６から明らかなように、蛍光体の量を増やせば蛍光体の発光色に近付き、減らすと青色ＬＥＤに近付く。
【００５８】
なお、本発明では、蛍光体を励起する光を発生する発光素子に加えて、蛍光体を励起しない発光素子をー緒に用いることもできる。具体的には、蛍光体を励起可能な窒化物系化合物半導体である発光素子に加えて、蛍光体を実質的に励起しない、発光層がガリウム燐、ガリウムアルミニウムひ素、ガリウムひ素燐やインジウムアルミニウム燐などである発光素子を一緒に配置する。このようにすると、蛍光体を励起しない発光素子からの光は、蛍光体に吸収されることなく外部に放出される。これによって、紅白が発光可能な発光ダイオードとすることができる。
以下、図１及び図２の発光ダイオードの他の構成要素について説明する。
【００５９】
(導電性ワイヤー１０３、２０３）
導電性ワイヤー１０３、２０３としては、発光素子１０２、２０２の電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０ｌｃａｌ／（ｓ）（ｃｍ2）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／（ｓ）（ｃｍ2）（℃／ｃｍ）以上である。また、作業性を考慮すると導電性ワイヤーの直径は、１０μｍ以上、４５μｍ以下であることが好ましい。特に、蛍光体が含有されたコーティング部とモールド部材とをそれぞれ同一材料を用いたとしても、どちらか一方に蛍光体が入ることによる熱膨張係数の違いにより、それらの界面においては、導電性ワイヤーは断線し易い。そのために導電性ワイヤーの直径は、２５μｍ以上がより好ましく、発光面積や取り扱い易さの観点から３５μｍ以下が好ましい。導電性ワイヤーの材質としては、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金が挙げられる。このような材質、形状からなる導電性ワイヤーを用いることにより、ワイヤーボンディング装置によって、各発光素子の電極と、インナー・リード及びマウント・リードとを容易に接続することができる。
【００６０】
(マウント・リード１０５）
マウント・リード１０５は、カップ部１０５ａとリード部１０５ｂとからなり、カップ部１０５ａに、ダイボンディング装置で発光素子１０２を載置する十分な大きさがあれば良い。また、複数の発光素子をカップ内に設け、マウント・リードを発光素子の共通電極として利用する場合においては、異なる電極材料を用いる場合があるので、それぞれに十分な電気伝導性とボンディングワイヤー等との接続性が求められる。また、マウント・リード上のカップ内に発光素子を配置すると共に蛍光体をカップ内部に充填する場合は、蛍光体からの光が当方的に放出されたとしても、カップにより所望の方向に反射されるので、近接して配置させた別の発光ダイオードからの光による疑似点灯を防止することができる。ここで、擬似点灯とは、近接して配置された別の発光ダイオードに電力を供給していなくても発光しているように見える現象のことをいう。
【００６１】
発光素子１０２とマウント・リード１０５のカップ部１０５ａとの接着は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂等の熱硬化性樹脂などを用いて行うことができる。また、フェースダウン発光素子（基板側から発光を取り出すタイプであって、発光素子の電極をカップ部１０５ａに対向させて取り付けるように構成されたもの）を用いる場合は、該発光素子をマウント・リードと接着させると共に電気的に導通させるために、Ａｇペースト、カーボンペースト、金属バンプ等を用いることができる。さらに、発光ダイオードの光利用効率を向上させるために発光素子が配置されるマウント・リードのカップ部の表面を鏡面状とし、表面に反射機能を持たせても良い。この場合の表面粗さは、０．１Ｓ以上０．８Ｓ以下が好ましい。また、マウント・リードの具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、マウント・リード上に複数の発光素子を積置する場合は、発光素子からの発熱量が多くなるため熱伝導度がよいことが求められ、その熱伝導度は、０．０ｌｃａｌ／（ｓ）（ｃｍ2）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／（ｓ）（ｃｍ2）（℃／ｃｍ）以上である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
【００６２】
（インナー・リード１０６）
インナー・リード１０６は、マウント・リード１０５上に配置された発光素子１０２の一方の電極に、導電性ワイヤー等で接続される。マウント・リード上に複数の発光素子を設けた発光ダイオードの場合は、インナーリード１０６を複数設け、各導電性ワイヤー同士が接触しないよう各インナーリードを配置する必要がある。例えば、マウント・リードから離れるに従って、各インナー・リードのワイヤーボンディングされる各端面の面積を順次大きくすることによって、導電性ワイヤー間の間隔を開けるようにボンディングし、導電性ワイヤー間の接触を防ぐことができる。インナーリードの導電性ワイヤーとの接続端面の粗さは、密着性を考慮して１．６Ｓ以上１ＯＳ以下に設定することが好ましい。
【００６３】
インナー・リードは、所望の形状になるように型枠を用いた打ち抜き加工等を用いて形成することができる。さらには、インナー・リードを打ち抜き形成後、端面方向から加圧することにより所望の端面の面積と端面高さを調整するようにしても良い。
また、インナー・リードは、導電性ワイヤーであるボンディングワイヤー等との接続性及び電気伝導性が良いことが求められる。具体的な電気抵抗としては、３００μΩ・ｃｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３μΩ・ｃｍ以下である。これらの条件を満たす材料としては、鉄、銅、鉄入り銅、錫入り銅及び銅、金、銀をメッキしたアルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。
【００６４】
（コーティング部１０１）
コーティング部１０１は、モールド部材１０４とは別にマウント・リードのカップに設けられるものであり、本実施の形態１では、発光素子の発光を変換するフォトルミネセンス蛍光体が含有されるものである。コーティング部の具体的材料としては、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンなどの耐侯性に優れた透明樹脂や硝子などが適する。また、フォトルミネセンス蛍光体と共に拡散剤を含有させても良い。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等を用いることが好ましい。さらに、蛍光体をスパッタリングにより形成する場合、コーティング部を省略することもできる。この場合、膜厚を調整したり蛍光体層に開口部を設けることで混色表示が可能な発光ダイオードとすることができる。
【００６５】
（モールド部材１０４）
モールド部材１０４は、発光素子１０２、導電性ワイヤー１０３、フォトルミネセンス蛍光体が含有されたコーティング部１０１などを外部から保護する機能を有する。本実施形態１では、モールド部材１０４にさらに拡散剤を含有させることが好ましく、これによって発光素子１０２からの指向性を緩和させることができ、視野角を増やすことができる。また、モールド部材１０４は、発光ダイオードにおいて、発光素子からの発光を集束させたり拡散させたりするレンズ機能を有する。従って、モールド部材１０４は、通常、凸レンズ形状、凹レンズ形状さらには、発光観測面から見て楕円形状やそれらを複数組み合わせた形状に形成される。また、モールド部材１０４は、それぞれ異なる材料を複数積層した構造にしてもよい。モールド部材１０４の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。また、拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等を用いることができる。さらに、本発明では、拡散剤に加えてモールド部材中にフォトルミネセンス蛍光体を含有させてもよい。すなわち、本発明では、フォトルミネセンス蛍光体をコーティング部に含有させても良いし、モールド部材中に含有させてもよい。モールド部材にフォトルミネセンス蛍光体を含有させることにより、視野角をさらに大きくすることができる。
【００６６】
また、コーティング部とモールド部材の双方に含有させてもよい。またさらに、コーティング部をフォトルミネセンス蛍光体が含有された樹脂とし、モールド部材を、コーティング部と異なる部材である硝子を用いて形成しても良く、このようにすることにより、水分などの影響が少ない発光ダイオードを生産性良く製造できる。また、用途によっては、屈折率を合わせるために、モールド部材とコーティング部とを同じ部材を用いて形成してもよい。本発明においてモールド部材に拡散剤や着色剤を含有させることによって、発光観測面側から見た蛍光体の着色を隠すことができると共により混色性を向上させることができる。すなわち、蛍光体は強い外光のうち青色成分を吸収し発光し、黄色に着色しているように見える。
しかしながら、モールド部材に含有された拡散剤はモールド部材を乳白色にし、着色剤は所望の色に着色する。これによって、発光観測面から蛍光体の色が観測されることはない。さらに、発光素子の主発光波長が４３０ｎｍ以上では、光安定化剤である紫外線吸収剤を含有させることがより好ましい。
【００６７】
発明の実施２．
本発明に係る実施の形態２の発光ダイオードは、発光素子として発光層に高エネルギーバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体を備えた素子を用い、フォトルミネセンス蛍光体として、互いに組成の異なる２種類以上のフォトルミネセンス蛍光体、好ましくはセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を含む蛍光体を用いる。これにより実施の形態２の発光ダイオードは、発光素子によって発光されるＬＥＤ光の発光波長が、製造バラツキ等により所望値からずれた場合でも、２種類以上の蛍光体の含有量を調節することによって所望の色調を持った発光ダイオードを作製できる。この場合、発光波長が比較的短い発光素子に対しては、発光波長が比較的短い蛍光体を用い、発光波長が比較的長い発光素子には発光波長が比較的長い蛍光体を用いることで発光ダイオードから出力される発光色を一定にすることができる。
【００６８】
蛍光体に関して言うと、フォトルミネセンス蛍光体として、一般式（Ｒｅ1-rＳｍr）3（Ａｌ1-sＧａs）5Ｏ12：Ｃｅで表されるセリウムで付活された蛍光体を用いることもできる。但し、０＜ｒ≦１、０≦ｓ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａから選択される少なくとも一種である。これにより発光素子から放出された可視光域における高エネルギーを有する光が長時間高輝度に照射された場合や種々の外部環境の使用下においても蛍光体の変質を少なくできるので、発光色の色ずれや発光輝度の低下が極めて少なく、かつ高輝度の所望の発光成分を有する発光ダイオードを構成できる。
【００６９】
（実施の形態２のフォトルミネセンス蛍光体）
実施の形態２の発光ダイオードに用いられるフォトルミネセンス蛍光体について詳細に説明する。実施の形態２においては、上述したように、フォトルミネセンス蛍光体として組成の異なる２種類以上のセリウムで付活されたフォトルミネセンス蛍光体を使用した以外は、実施の形態１と同様に構成され、蛍光体の使用方法は実施の形態と同様である。
【００７０】
また、実施形態１と同様に、フォトルミネセンス蛍光体の分布を種々変える（発光素子から離れるに従い濃度勾配をつける等）ことによって耐候性の強い特性を発光ダイオードに持たせることができる。このような分布はフォトルミネセンス蛍光体を含有する部材、形成温度、粘度やフォトルミネセンス蛍光体の形状、粒度分布などを調整することによって種々調整することができる。したがって、実施形態２では、使用条件などに対応させて、蛍光体の分布濃度が設定される。また、実施の形態２では、２種類以上の蛍光体をそれぞれ発光素子から出力される光に対応して配置を工夫（例えば、発光素子に近い方から順番に配置する等）することによって発光効率を高くすることができる。
【００７１】
以上のように構成された実施形態２の発光ダイオードは、実施形態１と同様、照度強度として（Ｅｅ）＝３Ｗ・ｃｍ-2以上１０Ｗ・ｃｍ-2以下の比較的高出力の発光素子と接する或いは近接して配置された場合においても高効率でかつ十分な耐光性を有する発光ダイオードを構成できる。
【００７２】
実施形態２に用いられるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）は、実施形態１と同様、ガーネット構造を有するので、熱、光及び水分に強い。
【００７３】
ガーネット構造を持ったＹＡＧ系蛍光体の組成の内、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側にシフトし、また組成のＹの一部をＧｄ及び／又はＬａで置換することで、発光波長が長波長側へシフトする。ＡｌのＧａへの置換は、発光効率と発光波長を考慮してＧａ：Ａｌ＝１：１から４：６が好ましい。同様に、Ｙの一部をＧｄ及び／又はＬａで置換することは、Ｙ：Ｇｄ及び／又はＬａ＝９：１から１：９であり、より好ましくは、Ｙ：Ｇｄ及び／又はＬａ＝４：１から２：３である。置換が２割未満では、緑色成分が大きく赤色成分が少なくなる。また、６割以上では、赤み成分が増えるものの輝度が急激に低下する。
【００７４】
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｌａ、Ａｌ、Ｓｍ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、次に焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
【００７５】
本実施形態２において、組成の異なる２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、混合して用いても良いし、それぞれ独立して配置（例えば、積層）して用いても良い。２種類以上の蛍光体を混合して用いた場合、比較的簡単に量産性よく色変換部を形成することができ、２種類以上の蛍光体を独立して配置した場合は、所望の色になるまで重ね合わせることにより、形成後に色調整をすることができる。また、蛍光体をそれぞれ独立して配置して用いる場合、ＬＥＤ素子に近いほうに、光をより短波長側で吸収発光しやすい蛍光体を設け、ＬＥＤより離れた所に、それよりも長波長側で吸収発光しやすい蛍光体を配置することが好ましい。これによって効率よく吸収及び発光させることができる。
【００７６】
以上のように本実施形態２の発光ダイオードは、蛍光物質として、組成の異なる２種類以上のイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を用いている。これによって、所望の発光色が効率よく発光可能な発光ダイオードを構成することができる。即ち、半導体発光素子が発光する光の発光波長が、図５に示す色度図のＡ点からＢ点に至る線上に位置する場合、組成の異なる２種類以上のイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の色度点（Ｃ点及びＤ点）である図５のＡ点，Ｂ点，Ｃ点及びＤ点で囲まれた斜線内にある任意の発光色を発光させることができる。
【００７７】
実施形態２では、ＬＥＤ素子、蛍光体の組成若しくはその量を種々選択することによって調節することができる。特に、ＬＥＤ素子の発光波長に対応して、所定の蛍光体を選択することによりＬＥＤ素子の発光波長のバラツキを補償することにより、発光波長のバラツキが少ない発光ダイオードを構成することができる。また、蛍光物質の発光波長を選択することにより、ＲＧＢの発光成分を高輝度に含んだ発光ダイオードを構成することができる。 さらに、実施形態２に用いるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系（ＹＡＧ系）蛍光体は、ガーネット構造を有するので、実施形態２の発光ダイオードは、長時間高輝度に発光させることができる。
【００７８】
また、実施形態１及び２の発光ダイオードは、発光観測面からみて蛍光体を介して発光素子を設ける。また、発光素子からの光よりもより長波長側に発光する蛍光物質を用いているので、効率よく発光させることができる。さらに、変換された光は発光素子から放出される光よりも長波長側になっているために、発光素子の窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さく、該窒化物半導体層に吸収されにくい。従って、蛍光体が等方的に発光するために発光された光はＬＥＤ素子にも向かうが、蛍光体によって発光された光はＬＥＤ素子に吸収されることはないので、発光ダイオードの発光効率を低下させることはない。
【００７９】
（面状発光光源）
本発明に係る別の実施形態である面状発光光源の例を図６に示す。
図６に示す面状発光光源では、実施形態１又は２で用いたフォトルミネセンス蛍光体が、コーティング部７０１に含有されている。これによって、窒化ガリウム系発光素子が発生する青色系の光を、コーティング部で色変換した後、導光板７０４及び散乱シート７０６を介して面状にして出力する。
【００８０】
詳細に説明すると、図６の面状発光光源において、発光素子７０２は、絶縁層及び導電性パターン（図示せず）が形成されたコの字形状の金属基板７０３内に固定される。発光素子の電極と導電性パターンとを導通させた後、フォトルミネセンス蛍光体をエポキシ樹脂と混合して発光素子７０２が積載されたコの字型の金属基板７０３の内部に充填する。こうして固定された発光素子７０２は、アクリル性の導光板７０４の一方の端面にエポキシ樹脂などで固定される。導光板７０４の一方の主面上の散乱シート７０６が形成されていない部分には、点状に発光する蛍現象防止のため白色散乱剤が含有されたフィルム状の反射部材７０７が形成される。
【００８１】
同様に、導光板７０４の他方の主表面（裏面側）全面及びや発光素子が配置されていない他方の端面上にも反射部材７０５を設け発光効率を向上させるように構成する。これにより、例えば、ＬＣＤのバックライト用として十分な明るさを有する面状発光の発光ダイオードを構成することができる。
この面状発光の発光ダイオードを用いた液晶表示装置は、例えば、導光板７０４の一方の主面上に、透光性導電性パターンが形成された硝子基板間（図示せず）に液晶が注入された液晶装置を介して偏光板を配し構成する。
【００８２】
本発明に係る別の実施形態である面状の発光装置の例を、図７、図８とに示す。図７に示す発光装置は、発光ダイオード７０２によって発生された青色系の光を、フォトルミネセンス蛍光体が含有された色変換部材７０１を介して白色系の光に変換した後、導光板７０４によって面状にして出力するように構成されている。
【００８３】
図８に示す発光装置は、発光素子７０２が発光する青色系の光を、導光板７０４によって面状にした後、導光板７０４の一方の主表面に形成された、フォトルミネッセンス蛍光体を有する散乱シート７０６によって白色光に変換して面状の白色光を出力するように構成されている。ここで、フォトルミネッセンス蛍光体は、散乱シート７０６に含有させても良いし、或いはバインダー樹脂と共に散乱シート７０６に塗布してシート状に形成してもよい。さらには、導光板７０４上にフォトルミネセンス蛍光体を含むバインダーを、シート状ではなく、ドット状に直接形成してもよい。
【００８４】
＜応用例＞
（表示装置）
次に、本発明に係る表示装置について説明する。図９は本発明に係る表示装置の構成を示すブロック図である。該表示装置は、図９に示すように、ＬＥＤ表示器６０１と、ドライバー回路６０２、画像データ記憶手段６０３及び階調制御手段６０４を備えた駆動回路６１０とからなる。ここで、ＬＥＤ表示器６０１は、図１０に示すように、図１又は図２に示す白色系の発光ダイオード５０１が、筺体５０４にマトリクス状に配列され、白黒用のＬＥＤ表示装置として使用される。ここで、筺体５０４には遮光部材５０５が一体で成形されている。
【００８５】
駆動回路６１０は、図９に示すように、入力される表示データを一時的に記憶する画像データ記憶手段（ＲＡＭ）６０３と、ＲＡＭ６０３から読み出したデータに基づいてＬＥＤ表示器６０１のそれぞれの発光ダイオードを所定の明るさに点灯させるための階調信号を演算して出力する階調制御手段６０４と、階調制御手段６０４から出力される信号によってスイッチングされて、発光ダイオードを点灯させるドライバー６０２とを備える。階調制御回路６０４は、ＲＡＭ６０３に記憶されるデータを取り出してＬＥＤ表示器６０１の発光ダイオード点灯時間を演算して点滅させるパルス信号をＬＥＤ表示器６０１に出力する。以上のように構成された表示装置において、ＬＥＤ表示器６０１は、駆動回路から入力されるパルス信号に基づいて表示データに対応した画像を表示することができ、以下のような利点がある。
【００８６】
すなわち、ＲＧＢの３つの発光ダイオードを用いて白色系の表示をさせるＬＥＤ表示器は、ＲＧＢの各発光ダイオードの発光出力を調節して表示させる必要があるため、各発光ダイオードの発光強度、温度特性などを考慮して各発光ダイオードを制御しなけれはならないので、該ＬＥＤ表示器を駆動する駆動回路は複雑になるという問題点があった。しかしながら、本発明の表示装置においては、ＬＥＤ表示器６０１が、ＲＧＢの３種類の発光ダイオードを用いることなく、本発明に係る白色系の発光が可能な発光ダイオード５０１を用いて構成されているので、駆動回路がＲＧＢの各発光ダイオードを個別に制御する必要がなく、駆動回路の構成を簡単にでき、表示装置を安価にできる
【００８７】
また、ＲＧＢの３つの発光ダイオードを用いて白色系の表示をさせるＬＥＤ表示器は、１画素毎に、ＲＧＢの３つの発光ダイオードを組み合わせて白色表示させるためには、３つの各発光ダイオードをそれぞれ同時に発光させて混色する必要があり、一画素あたりの表示領域が大きくなり、高精細に表示させることができなかった。しかしながら、本発明の表示装置におけるＬＥＤ表示器は、１個の発光ダイオードで白色表示できるので、より高精細に白色系表示させることができる。さらに、３つの発光ダイオードの混色によって表示するＬＥＤ表示器は、見る方向や角度によって、ＲＧＢの発光ダイオードのいずれかが部分的に遮光され表示色が変化する場合があるが、本発明のＬＥＤ表示器ではそのようなことはない。
【００８８】
以上のように本発明に係る白色系の発光が可能な発光ダイオードを用いたＬＥＤ表示器を備えた表示装置は、より高精細化が可能であり、安定した白色系の表示ができ、さらに、色むらを少なくできる特長がある。また、本発明に係る白色表示が可能なＬＥＤ表示器は、従来の赤色、緑色のみを用いたＬＥＤ表示器に比べ人間の目に対する刺激が少なく長時間の使用に適している。
【００８９】
（本発明の発光ダイオードを用いた他の表示装置の例）
本発明の発光ダイオードを用いることにより、図１１に示すように、ＲＧＢの３つの発光ダイオードに本発明の発光ダイオードを加えたものを１絵素とするＬＥＤ表示器を構成することができる。そして、このＬＥＤ表示器と所定の駆動回路とを接続することにより種々の画像を表示することができる表示装置を構成できる。この表示装置における駆動回路は、モノクロームの表示装置と同様に、入力される表示データをー時的に記憶する画像データー記憶手段（ＲＡＭ）と、ＲＡＭに記憶されたデータに基づいて各発光ダイオードを所定の明るさに点灯させるための階調信号を演算する階調制御回路と、階調制御回路の出力信号でスイッチングされて、各発光ダイオードを点灯させるドライバーとを備える。ただし、この駆動回路は、ＲＧＢと白色系に発光する各発光ダイオードをそれぞれ制御する専用の回路を必要とする。
【００９０】
階調制御回路は、ＲＡＭに記憶されるデータから、それぞれの発光ダイオードの点灯時間を演算して、点滅させるパルス信号を出力する。ここで、白色系の表示を行う場合は、ＲＧＢ各発光ダイオードを点灯するパルス信号のパルス幅を短く、あるいは、パルス信号のピーク値を低く、あるいは全くパルス信号を出力しないようにする。他方、それを補償するように（すなわち、パルス信号のパルス幅を短く、あるいは、パルス信号のピーク値を低く、あるいは全くパルス信号を出力しない分を補うように）白色系発光ダイオードにパルス信号を供給する。これにより、ＬＥＤ表示器の白色を表示する。
【００９１】
このように、ＲＧＢの発光ダイオードに白色発光ダイオードを追加することによって、ディスプレーの輝度を向上させることができる。また、ＲＧＢの組合せで白色を表示しようとすると、見る角度によってＲＧＢのうちのいずれか１つ又はいずれか２つの色が強調され、純粋な白を表現することができないが、本表示装置のように白色の発光ダイオードを追加することにより、そのような問題を解決することができる。
【００９２】
このような表示装置における駆動回路では、白色系発光ダイオードを所望の輝度で点灯させるためのパルス信号を演算する階調制御回路としてＣＰＵを別途備えることが好ましい。階調制御回路から出力されるパルス信号は、白色系発光ダイオードのドライバーに入力されてドライバをスイッチングさせる。ドライバーがオンになると白色系発光ダイオードが点灯され、オフになると消灯される。
【００９３】
（信号機）
本発明の発光ダイオードを表示装置の１種である信号機として利用した場合、長時間安定して発光させることが可能であると共に発光ダイオードの一部が消灯しても色むらなどが生じないという特長がある。本発明の発光ダイオードを用いた信号機の概略構成として、導電性パターンが形成された基坂上に白色系発光ダイオードを所定の配列に配置する。
【００９４】
このような発光ダイオードを直列又は直並列に接続された発光ダイオードの回路を発光ダイオード群として扱う。発光ダイオード群を２つ以上用いそれぞれ渦巻き状に発光ダイオードを配置させる。全ての発光ダイオードが配置されると円状に全面に配置される。各発光ダイオード及び基板から外部電力と接続させる電源コードをそれぞれ、ハンダにより接続した後、鉄道信号用の匡体内に固定する。ＬＥＤ表示器は、遮光部材が付いたアルミダイキャストの匡体内に配置され表面にシリコーンゴムの充填材で封止されている。匡体の表示面は、白色レンズを設けてある。また、ＬＥＤ表示器の電気的配線は、筺体の裏面から筺体を密閉するためにゴムパッキンを介して通し、筺体内を密閉する。
【００９５】
このようにして白色系信号機を形成することができる。本発明の発光ダイオードを、複数の群に分け中心部から外側に向け輪を描く渦巻き状などに配置し、並列接続することでより信頼性が高い信号機を構成することができる。この場合、中心部から外側に向け輪を描くことにより、信頼性が高い信号機を構成することができる。中心部から外側に向け輪を描くことには、連続的に輪を描くものも断続的に配置するものの双方を含む。したがって、ＬＥＤ表示器の表示面積などを考慮して、配置される発光ダイオードの数や発光ダイオード群の数を種々選択することができる。
【００９６】
この信号機により、一方の発光ダイオード群や一部の発光ダイオードが何らかのトラブルにより消灯したとしても他方の発光ダイオード群や残った発光ダイオードにより信号機を円形状に均一に発光させることが可能となるり、色ずれが生ずることもない。渦巻き状に配置してあることから中心部を密に配置することができ電球発光の信号と何ら違和感なく駆動させることができる。
【００９７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下に示す実施例のみに限定されるものではないことを念のために言っておく。
【００９８】
（実施例１）
実施例１は、発光素子として、ＧａＩｎＮ半導体を用いた発光ピークが４５０ｎｍ、半値幅３０ｎｍの発光素子を用いた例である。実施例１の発光素子は、洗浄されたサファイ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム)ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーバントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜することにより作製される。成膜時に、ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇと、を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリウム半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム半導体を形成する。
【００９９】
実施例１のＬＥＤ素子は、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体層であるコンタクト層を備え、Ｎ型導電性を有するコンタクト層とＰ型導電性を有するクラッド層との間に厚さ約３ｎｍの、単一量子井戸構造を構成するためのノンドープＩｎＧａＮからなる活性層が形成されている。尚、サファイア基板上には、バッファ層として低温で窒化ガリウム半導体層が形成されている。また、Ｐ型窒化ガリウム半導体は、成膜後４００℃以上の温度でアニールされている。
【０１００】
エッチングによりＰ型及びＮ型の各半導体表面を露出させた後、スパッタリングによりｎ側ｐ側の各電極がそれぞれ形成される。こうして作製された半導体ウエハーにスクライブラインを引いた後、外力を加えて個々の発光素子に分割した。
【０１０１】
以上のようにして作製された発光素子を、銀メッキした鋼製のマウント・リードのカップ部にエポキシ樹脂でダイボンディングした後、発光素子の各電極とマウント・リード及びインナー・リードとをそれぞれ直径が３０μｍの金線を用いてワイヤーボンディングして、リードタイプの発光ダイオードを作製した。
【０１０２】
一方、フォトルミネセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を所定の化学量論比で酸に溶解した溶解液を修酸で共沈させ、沈澱物を焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムを混合して、この混合原料にフラックスとしてフツ化アンモニウムを混合して坩堝に詰めて、空気中１４００℃の温度で３時間焼成した後、その焼成品をボールミルを用いて湿式粉砕して、洗浄、分離、乾燥後、最後に篩を通すことにより作製した。その結果、フォトルミネセンス蛍光体は、ＹがＧｄで約２割置換されたイットリウム・アルミニウム酸化物として（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅが形成された。尚、Ｃｅの置換は０．０３であった。
【０１０３】
以上のようにして作製した（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体８０重量部とエポキシ樹脂１００重量部とをよく混合してスラリーとし、このスラリーを発光素子が載置されたマウント・リードのカップ内に注入した後、１３０℃の温度で１時間で硬化させた。こうして発光素子上に厚さ１２０μｍのフォトルミネセンス蛍光体が含有されたコーティング部を形成した。なお、本実施例１では、コーティング部においては、発光素子に向かってフォトルミネセンス蛍光体が徐々に多く分布するように構成した。照射強度は、約３．５Ｗ／ｃｍ2である。その後、さらに発光素子やフォトルミネセンス蛍光体を外部応力、水分及び塵芥などから保護する目的でモールド部材として透光性エポキシ樹脂を形成した。ここで、モールド部材は、砲弾型の型枠の中に、リードフレームにボンディングされ、フォトルミネセンス蛍光体を含んだコーティング部に覆われた発光素子を挿入して、透光性エポキシ樹脂を注入した後、１５０℃５時間にて硬化させて形成した。
【０１０４】
このように形成した発光ダイオードは、発光観測正面から見ると、フォトルミネセンス蛍光体のボディーカラーにより中央部が黄色っぽく着色されていた。
こうして得られた白色系が発光可能な発光ダイオードの色度点、色温度、演色性指数を測定した結果、それぞれ、色度点は、（ｘ＝０．３０２、ｙ＝０．２８０）、色温度８０８０Ｋ、演色性指数（Ｒａ)＝８７．５と三波長型蛍光灯に近い性能を示した。また、発光効率は９．５１ｍ／ｗと白色電球並であった。さらに、温度２５℃６０ｍＡ通電、温度２５℃２０ｍＡ通電、温度６０℃９０％ＲＨ下で２０ｍＡ通電の各寿命試験においても蛍光体に起因する変化は観測されず通常の青色発光ダイオードと寿命特性に差がないことが確認できた。
【０１０５】
(比較例1)
フォトルミネセンス蛍光体を（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体から（ＺｎＣｄ）Ｓ：Ｃｕ、Ａｌとした以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードの形成及び寿命試験を行った。形成された発光ダイオードは通電直後、実施例１と同様、白色系の発光が確認されたが輝度は低かった。また、寿命試験においては、約１００時間で出力がゼロになった。劣化原因を解析した結果、蛍光体が黒化していた。
【０１０６】
これは、発光素子の発光光と蛍光体に付着していた水分あるいは外部環境から進入した水分により光分解し蛍光体結晶表面にコロイド状亜鉛金属を析出し外観が黒色に変色したものと考えられる。温度２５℃２０ｍＡ通電、温度６０℃９０％ＲＨ下で２０ｍＡ通電の寿命試験結果を実施例１の結果と共に図１２に示す。輝度は初期値を基準にしそれぞれの相対値を示す。図１２において、実線が実施例１であり波線が比較例１を示す。
【０１０７】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは、発光素子における窒化物系化合物半導体のＩｎの含有量を実施例１の発光素子よりも増やすことにより、発光素子の発光ピークを４６０ｎｍとし、フォトルミネセンス蛍光体のＧｄの含有量を実施例１よりも増やし（Ｙ0.6Ｇｄ0.4）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅとした以外は実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。
【０１０８】
以上のようにして作製した発光ダイオードは、白色系の発光可能であり、その色度点、色温度、演色性指数を測定した。それぞれ、色度点(ｘ＝０．３７５、ｙ＝０．３７０）、色温度４４００Ｋ、演色性指数（Ｒａ）＝８６．０であった。
図１７（ａ）、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）にそれぞれ、実施例２のフォトルミネセンス蛍光体、発光素子及び発光ダイオードの各発光スペクトルを示す。 また、この実施例２の発光ダイオードを１００個作製し、初期の光度に対する１０００時間発光させた後における光度を調べた。その結果、初期（寿命試験前）の光度を１００％とした場合、１０００時間経過後における平均光度は、平均して９８．８％であり特性に差がないことが確認できた。
【０１０９】
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは、フォトルミネセンス蛍光体としてＹ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素に加えＳｍを含有させた、一般式（Ｙ0.39Ｇｄ0.57Ｃｅ0.03Ｓｍ0.01）3Ａｌ5Ｏ12蛍光体を用いた以外は、実施例１と同様に作製した。この実施例３の発光ダイオードを１００個作製し、１３０℃の高温下において評価した結果、実施例１の発光ダイオードと比較して平均温度特性が８％ほど良好であった。
【０１１０】
（実施例４）
実施例４のＬＥＤ表示器は、実施例１の発光ダイオードが、図１０に示すように銅パターンを形成したセラミックス基坂上に、１６×１６のマトリックス状に配列されて構成される。尚、実施例４のＬＥＤ表示器では、発光ダイオードが配列された基板は、フェノール樹脂からなり遮光部材５０５が一体で形成された筺体５０４内部に配置され、発光ダイオードの先端部を除いて筺体、発光ダイオード、基板及び遮光部材のー部をピグメントにより黒色に着色したシリコンゴム５０６が充填される。また、基板と発光ダイオードとの接続は、自動ハンダ実装装置を用いてハンダ付けを行った。
【０１１１】
以上のように構成されたＬＥＤ表示器を、入力される表示データをー時的に記憶するＲＡＭ及びＲＡＭに記憶されるデータを取り出して発光ダイオードを所定の明るさに点灯させるための階調信号を演算する階調制御回路と階調制御回路の出力信号でスイッチングされて発光ダイオードを点灯させるドライバーとを備えた駆動手段によって駆動することにより白黒ＬＥＤ表示装置として使用できることを確認した。
【０１１２】
【０１１３】
【０１１４】
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードは、フォトルミネセンス蛍光体として一般式Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される蛍光体を用いた以外は、実施例１と同様にして作製した。この実施例５の発光ダイオードを１００個作製して諸特性を測定した。
その結果、実施例１に比較してやや黄緑色がかった白色の光を発光することができた。
【０１１５】
図１８（ａ）、図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）にそれぞれ、実施例５のフォトルミネセンス蛍光体、発光素子及び発光ダイオードの各発光スペクトルを示す。 また、実施例５の発光ダイオードは、寿命試験においては、実施例１と同様に優れた耐候性を示していた。
【０１１６】
【０１１７】
【０１１８】
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは、図６に示す構成を有する面状発光の発光装置である。
発光素子として発光ピークが４５０ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ半導体を用いた。発光素子は、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜することにより形成した。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇと、を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリウム半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム半導体を形成しＰＮ接合を形成した。半導体発光素子としては、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層を形成した。Ｎ型導電性を有するクラッド層とＰ型導電性を有するクラッド層との間にダブルへテロ接合となるＺｎドープＩｎＧａＮの活性層を形成した。なお、サファイア基板上には、低温で窒化ガリウム半導体を形成し、バッファ層として用いた。Ｐ型窒化物半導体層は、成膜後４００℃以上の温度でアニールされている。
【０１１９】
各半導体層を成膜した後、エッチングによりＰＮ各半導体表面を露出させた後、スパッタリングにより各電極をそれぞれ形成し、こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子として発光素子を形成した。
銀メッキした銅製リードフレームの先端にカップを有するマウント・リードに発光素子をエポキシ樹脂でダイボンディングした。発光素子の各電極とマウント・リード及びインナー・リードと、をそれぞれ直径が３０μｍの金線でワイヤーボンディングし電気的導通を取った。
【０１２０】
モールド部材は、砲弾型の型枠の中に発光素子が配置されたリードフレームを挿入し透光性エポシキ樹脂を混入後、１５０℃５時間にて硬化させ青色系発光ダイオードを形成させた。青色系発光ダイオードを端面が全て研磨されたアクリル性導光板の一端面に接続させた。アクリル板の片面及び側面は、白色反射部材としてチタン酸バリウムをアクリル系バインダー中に分散したものでスクリーン印刷及び硬化させた。
【０１２１】
一方、フォトルミネセンス蛍光体は、緑色系及び赤色系をそれぞれ必要なＹ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｌａの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムと混合して混合原料をそれぞれ得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合して坩堝に詰め、空気中１４００°Ｃの温度範囲で３時間焼成して焼成品を得た。焼成品をそれぞれ水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して形成した。
【０１２２】
以上のようにして作製された、一般式Ｙ3（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）5Ｏ12：Ｃｅで表される緑色系が発光可能な第１の蛍光体１２０重量部と、同様にして作製された、一般式（Ｙ0.4Ｇｄ0.6）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される赤色系が発光可能な第２の蛍光体１００重量部とを、エポキシ樹脂１００重量部とよく混合してスラリーとし、このスラリーを厚さ０．５ｍｍのアクリル層上にマルチコーターを用いて均等に塗布、乾燥し、厚さ約３０μｍの色変換部材として蛍光体膜を形成した。蛍光体層を導光板の主発光面と同じ大きさに切断し導光板上に配置することにより面状の発光装置を作製した。以上のように作製した発光装置の色度点、演色性指数を測定した結果、色度点は、（ｘ＝０．２９,ｙ＝０．３４）であり、演色性指数（Ｒａ）は、９２．０と三波長型蛍光灯に近い性能を示した。また、発光効率は１２ ｌｍ／ｗと白色電球並であった。さらに耐侯試験として室温６０ｍＡ通電、室温２０ｍＡ通電、６０℃９０％ＲＨ下で２０ｍＡ通電の各試験においても蛍光体に起因する変化は観測されなかった。
【０１２３】
（比較例２）
実施例６の一般式Ｙ3（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）5Ｏ12：Ｃｅで表される緑色系が発光可能な第１の蛍光体、及び一般式（Ｙ0.4Ｇｄ0.6）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される赤色系が発光可能な第２の蛍光体からなるフォトルミネセンス蛍光体に代えて、それぞれペリレン系誘導体である緑色有機蛍光顔料（シンロイヒ（ＳＩＮＬＯＩＨＩ）化学製ＦＡ−００１）と赤色有機蛍光顔料（シンロイヒ化学製ＦＡ−００５）とを用いて同量で混合攪拌した以外は、実施例６と同様にして発光ダイオードを作製して実施例６と同様の耐侯試験を行った。作製した比較例１の発光ダイオードの色度点は、（ｘ＝０．３４，ｙ＝０．３５）であった。耐侯性試験として、カーボンアークで紫外線量を２００ｈｒで太陽光の１年分とほぼ同等とさせ時間と共に輝度の保持率及び色調を測定した。
【０１２４】
また、信頼性試験として発光素子を発光させ７０℃一定における時間と共に発光輝度及び色調を測定した。この結果を実施例６と共に図１３及び図１４にそれぞれ示す。図１３，１４から明らかなように、いずれの試験においても、実施例６は、比較例２より劣化が少ない。
【０１２５】
【０１２６】
【０１２７】
【０１２８】
【０１２９】
（実施例７）
ＬＥＤ素子として発光ピークが４７０ｎｍのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎ半導体を用いた。発光素子は、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成した。ドーパントガスとしてＳｉＨ4とＣｐ2Ｍｇと、を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリウム半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム半導体を形成しＰＮ接合を形成した。ＬＥＤ素子としては、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層を形成した。Ｎ型導電性を有するコンタクト層とＰ型導電性を有するクラッド層との間に厚さ約３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮの活性層を形成することにより単一井戸構造とした。なお、サファイア基板上には、低温で窒化ガリウム半導体をバッファ層として形成した。
【０１３０】
以上のように各層を形成した後、エッチングによりＰＮ各半導体表面を露出させ、スパッタリングによりｐ側及びｎ側の各電極を形成した。こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子として発光素子を形成した。
この発光素子を銀メッキした銅製のマウントリードのカップにエポキシ樹脂を用いてダイボンディングした。発光素子の各電極とマウント・リード及びインナー・リードと、をそれぞれ直径３０μｍの金線でワイヤーボンディングし電気的導通を取った。
【０１３１】
モールド部材は、砲弾型の型枠の中に発光素子が配置されたリードフレームを挿入し透光性エポシキ樹脂を混入後、１５０℃５時間にて硬化させ青色系発光ダイオードを形成した。青色系発光ダイオードを端面が全て研磨されたアクリル性導光板の一端面に接続した。アクリル板の片面及び側面は、白色反射部材としてチタン酸バリウムをアクリル系バインダー中に分散したものをスクリーン印刷及び硬化して膜状に形成した。
【０１３２】
一方、フォトルミネセンス蛍光体は、一般式（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表され比較的短波長側の黄色系が発光可能な蛍光体と、一般式（Ｙ0.4Ｇｄ0.6）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表され比較的長波長側の黄色系が発光可能な蛍光体とを以下のようにして作製して混合して用いた。これらの蛍光体は、それぞれ必要なＹ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料をそれぞれ得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合して坩堝に詰め、空気中１４００℃の温度範囲で３時間焼成して焼成品を得た。焼成品をそれぞれ水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して形成した。
【０１３３】
以上のように作製した比較的短波長側の黄色系蛍光体１００重量部と比較的長波長側の黄色系蛍光体１００重量部とを、アクリル樹脂１０００重量部とよく混合して押し出し成形し、厚さ約１８０μｍの色変換部材として用いる蛍光体膜を形成した。蛍光体膜を導光板の主発光面と同じ大きさに切断し導光板上に配置することにより発光装置を作製した。このようにして作製した実施例７の発光装置の色度点、演色性指数を測定した結果、色度点は、
（ｘ＝０．３３,ｙ＝０．３４）であり、演色性指数（Ｒａ）＝８８．０を示した。また、発光効率は１０ ｌｍ／ｗであった。
【０１３４】
図１９（ａ）、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）にはそれぞれ、実施例７に使用した、式（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される蛍光体、式（Ｙ0.4Ｇｄ0.6）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される蛍光体及び発光素子の各発光スペクトルを示す。また、図２０には、実施例７の発光ダイオードの発光スペクトルを示す。 さらに耐侯試験として室温６０ｍＡ通電、室温２０ｍＡ通電、６０℃９０％ＲＨ下で２０ｍＡ通電の各試験においても蛍光体に起因する変化は観測されなかった。同様に、この蛍光体の含有量を種々変えることによって発光素子からの波長が変化しても所望の色度点を維持させることができる。
【０１３５】
【０１３６】
【発明の効果】
本発明に係る発光ダイオードは、所望の色を有する光を発光することができ、長時間高輝度の使用においても発光効率の劣化が少なくしかも耐候性に優れている。従って、一般的な電子機器に限られず、高い信頼性が要求される車載用、航空産業用、港内のブイ表示用及び高速道路の標識照明など屋外での表示や照明として新たな用途を開くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施の形態のリードタイプの発光ダイオードの模式的断面図である。
【図２】 本発明に係る実施の形態のチップタイプの発光ダイオードの模式的断面図である。
【図３】 （ａ）は実施形態１のセリウムで付活されたガーネット系蛍光体の励起スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は実施形態１のセリウムで付活されたガーネット系蛍光体の発光スペクトルを示すグラフである。
【図４】 実施の形態１の発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。
【図５】 実施形態２の発光ダイオードの発光色を説明するための色度図であり、図中、Ａ及びＢ点は発光素子が発光する光の発光色を示し、Ｃ点、Ｄ点は、それぞれ２種類のフォトルミネッセンス蛍光体からの発光色を示す。
【図６】 本発明に係る別の実施形態の面状発光光源の模式的な断面図である。
【図７】 図６とは異なる面状発光光源の模式的な断面図である。
【図８】 図６及び図７とは異なる面状発光光源の模式的な断面図である。
【図９】 本発明の応用例である表示装置のブロック図である。
【図１０】 図９の表示装置のＬＥＤ表示器の平面図である。
【図１１】 本発明の発光ダイオード及びＲＧＢの４つの発光ダイオードを用いて一絵素を構成したＬＥＤ表示器の平面図である。
【図１２】 実施例１及び比較例１の発光ダイオードの寿命試験の結果を示すグラフであって、（ａ）は、２５℃における結果であり、（ｂ）は、６０℃，９０％ＲＨにおける結果である。
【図１３】 実施例６及び比較例２の耐候性試験の結果を示すグラフであり、（ａ）は経過時間に対する輝度保持率を示し、（ｂ）は試験前後の色調の変化を示す。
【図１４】 実施例６及び比較例２の発光ダイオードの信頼性試験における結果を示し（ａ）は輝度保持率と時間との関係、（ｂ）は色調と時間との関係を示したグラフである。
【図１５】 表１に示した蛍光体とピーク波長４６５ｎｍの青色ＬＥＤとを組み合わせた発光ダイオードにより実現できる色再現範囲を示す色度図である。
【図１６】 表１に示した蛍光体とピーク波長４６５ｎｍの青色ＬＥＤとを組み合わせた発光ダイオードにおける蛍光体の含有量を変化させたときの発光色の変化を示す色度図である。
【図１７】 （ａ）は、（Ｙ0.6Ｇｄ0.4）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される実施例２のフォトルミネセンス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）Ｂは、発光ピーク波長４６０ｎｍを有する実施例２の発光素子の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｃ）は、実施例２の発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。
【図１８】 （ａ）は、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される実施例５のフォトルミネセンス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は、発光ピーク波長４５０ｎｍを有する実施例５の発光素子の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｃ）は、実施例５の発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。
【図１９】 （ａ）は、（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される実施例７のフォトルミネセンス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は、（Ｙ0.4Ｇｄ0.6）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅで表される実施例７のフォトルミネセンス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフであり、（ｃ）は、発光ピーク波長４７０ｎｍを有する実施例７の発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図２０】 実施例７の発光ダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１００，２００…発光ダイオード、
１０１…コーティング樹脂、
１０２，２０２，７０２…発光素子（ＬＥＤチップ）、
１０３，２０３…導電性ワイヤー、
１０４…モールド部材、
１０５…マウント・リード、
１０５ａ…カップ部、
１０６…インナーリード、
２０１，７０１…コーティング部、
２０３…導電性ワイヤー、
２０４，５０４…筺体、
２０５…端子金属、
５０１…発光ダイオード、
５０５…遮光部材、
５０６…シリコンゴム、
６０１…ＬＥＤ表示器、
６０２…ドライバー回路、
６０３…画像データ記憶手段（ＲＡＭ）、
６０４…階調制御手段、
６１０…駆動回路、
７０３…金属基板、
７０４…導光板、
７０５，７０７…反射部材、
７０６…散乱シート。

Claims (17)

  1. 量子井戸構造をとると共に、発光層がＩｎを含む窒化ガリウム系半導体から成り、４２０〜４９０ｎｍの範囲に発光スペクトルのピークを有するＬＥＤチップと、
    前記ＬＥＤチップの近傍に配置された透光性樹脂と、
    前記透光性樹脂に含有されるフォトルミネッセンスの蛍光体であって、前記ＬＥＤチップの青色発光を一部吸収して、５３０〜５７０ｎｍにピークを有し、少なくとも７００ｎｍまで裾をひく発光スペクトルを発光可能であり、ガーネット構造をとると共にセリウムを含有するフォトルミネッセンスの蛍光体と、を具え、
    前記ＬＥＤチップから出て前記フォトルミネッセンスの蛍光体に吸収されずに通過した光の発光スペクトルと、前記フォトルミネッセンスの蛍光体から出た光の発光スペクトルとが互いに重なり合い、両発光スペクトルの混合により白色系の光を発光可能なことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 前記透光性樹脂は、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンから選択される１種を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
  3. 前記透光性樹脂中にチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素から選択される少なくとも１種が含有されている請求項１又は請求項２に記載の発光ダイオード。
  4. 前記透光性樹脂に含有されたフォトルミネッセンスの蛍光体は、透光性樹脂の表面側から前記ＬＥＤチップに向かって分布濃度が高くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  5. 前記ＬＥＤチップ及び前記透光性樹脂は、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンから成る群から選択された１種から成る部材で保護されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  6. 前記ＬＥＤチップ及び前記透光性樹脂は、硝子から成る部材で保護されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  7. 前記ＬＥＤチップ及び前記透光性樹脂を保護する部材は、拡散剤を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の発光ダイオード。
  8. 前記フォトルミネセンスの蛍光体は、ボディーカラーが黄色であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  9. 前記フォトルミネセンスの蛍光体は、希土類元素として、Ｙ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素を含んでなる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  10. 前記フォトルミネセンスの蛍光体は、希土類元素として、Ｙ、Ｇｄ、Ｓｍからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素を含んでなる請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  11. 前記フォトルミネッセンスの蛍光体は、希土類元素としてＹとＧｄを含む請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  12. 前記フォトルミネセンスの蛍光体は、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を含んでなる請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  13. 前記フォトルミネセンスの蛍光体は、Ａｌ及び／又はＧａを含んでなる請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  14. 前記フォトルルミネセンスの蛍光体は、Ａｌを含んでなる請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  15. 前記フォトルミネセンス蛍光体は、ＹとＡｌを含んでなる請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
  16. 前記ＬＥＤチップに、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下の導電性ワイヤーが接続されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の発光ダイ オード。
  17. 前記ＬＥＤチップは、４５０〜４７５ｎｍの範囲に発光スペクトルのピークを有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
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