JP3702863B2 - White light emitting device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一の素子構造で照明用、表示用、液晶バックライト用などに利用できる演色性に優れた白色を発生することができる軽量、小型、長寿命の白色発光素子に関するものである。
【0002】
小型の発光素子として数多くの発光ダイオード(LED;light emitting diode)や、半導体レーザ(LD;laser diode)が製造され販売されている。輝度の高いLEDとして、赤色LED、黄色LED、緑色LED、青色LEDなどが市販されている。赤色LEDはAlGaAs、GaAsPなどを活性層としているLEDである。黄色、緑はGaPを発光層とするLEDがある。橙色・黄色はAlGaInPを発光層とするLEDによって作り出す事ができる。
【0003】
広いバンドギャップのバンド間遷移を要求する青色が最も難しくて困難であった。SiC、ZnSe、GaN系のものが試みられ競っていたが輝度高く寿命の長いGaN系が圧倒的に優れていることがわかり勝敗は既に付いている。GaN系のLEDは実際には活性層がInGaNなのでInGaN系LED、InGaN−LEDなどと以後書く事にするが、基板はサファイヤで層構造の主体はGaNである。これらのLEDやLDなどの半導体発光素子はバンドギャップ遷移を利用するから当然にスペクトル幅の狭い単色の発光である。そのままでは半導体素子によって複合的な色を作ることはできない。
【0004】
【従来の技術】
照明用光源は単色光源では役に立たない。液晶用バックライトも単色光源は不可である。照明には白色光源が必要である。特に演色性の高い白色が望ましい。液晶用バックライトにも白色光源が必要である。照明用光源としては今もなお白熱電球や蛍光灯が専ら使われている。白熱電球は演色性が高いので照明として好適なのであるが、効率が悪いし寿命も短くかさばるという欠点がある。蛍光灯は寿命が短く重量物が必要であり大型の重い装置となる。
【0005】
より小型、より長寿命、より高効率、より安価な白色光源の出現がつとに待たれるところである。軽量・小型・長寿命・高効率ということであれば、それはもう半導体素子しかないと思われる。
【0006】
事実、青色LED、緑色LED、赤色LEDが存在するのであるから、これらの光の三元色を組み合わせれば白色が合成される筈である。青、緑、赤の3種類のLEDをパネルに一様に取り付けて同時に発光させると白色となる筈である。そのような3色混合LEDはすでに提案され一部に実施もされているようである。3色混合で白色ができるのだが分離した単色に見えてはいけないので高密度に3種のLEDを分布させなければならない。
【0007】
それに3種類のLEDは電流・電圧・発光特性がみんな違うので電源を別にしなければならず3電源となる。輝度にばらつきがあって揃えるのが難しい。そのような問題があるが何よりも3種類のLEDを多数並列密集させるので高価な光源となってしまう。
【0008】
高価な光源では普及しないし役に立たない。より低コストの小型白色発光素子を半導体デバイスとして作りたいものである。単一の発光素子を利用した半導体発光素子の公知技術として二つのものがある。一つはInGaN−LED(GaN基板上の発光素子)をYAG蛍光体で包囲した複合LEDである。もう一つはZnSe−LEDのZnSe基板に不純物をドープして蛍光体としZnSe−LED発光部(ZnCdSe)の青色によってZnSe蛍光部を励起(SA発光と呼ぶ)して黄色・橙色を発生させ青色と黄色・橙色の複合によって白色を得るものである。簡単に前者をGaN系白色発光素子(A)、後者をZnSe系白色発光素子(B)と呼ぼう。それぞれについて説明する。
【0009】
(A)GaN系白色発光素子(YAG+InGaN−LED;図3)
これはInGaN−LEDを用いるもので、例えば、
▲1▼ 「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、p457、1997年6月に説明されている。図3にその構造を示す。
【0010】
Γ型リード2の水平部分に凹部3を設け、凹部3の底にInGaN−LED4を取り付ける。凹部3にはCe添加YAG蛍光材を分散させた樹脂5を収容する。YAG蛍光材には青色光を吸収して、よりエネルギーの低い黄色を発生するという性質がある。そのようにある材料がエネルギーの高い光を吸収して電子励起され励起電子が元のレベルに戻る時に出すエネルギーの低い光を蛍光と言う。それを出す材料を蛍光材と言う。いろいろなレベルを経由して元の準位に戻るのでエネルギーの広がりがあり蛍光のスペクトルは広い。エネルギーの損失分は熱になる。
【0011】
InGaN−LED4の電極6、7はワイヤ8、9によってリード2とリード10に接続される。リード2、10の上部や蛍光剤樹脂5は透明樹脂20によって覆われる。それによって砲弾型の白色発光素子が製作される。InGaN−LEDは絶縁性のサファイヤ基板を用いるから底面にn電極を設けることができず上面2箇所にn電極、p電極が形成されワイヤが2本必要である。
【0012】
これはInGaN系青色LED4の周りを、YAG蛍光剤を分散させた樹脂層5で包囲し、蛍光剤によって青色光Bの一部を黄色光Yに変換し、元の青色光Bと黄色光Yを合成することによって、白色W(=B+Y)を実現している。単一の発光素子で白色を作ることができる。ここでYAG蛍光剤としてCe賦活されたものを使用している。InGaN−LEDの青色光Bとして460nmの光を使用する。YAGで変換された黄色光Yの中心波長は570nm程度である。つまりYAGは460nmの青色光を吸収して570nm程度にブロードなピークをもつ黄色光に変換するのである。
【0013】
発光素子のInGaN−LEDは高輝度で長寿命だから、この白色発光素子も長寿命という利点がある。しかしYAGが不透明な材料なので青色光が強く吸収されてしまい、しかも変換効率は良くない。これは色温度7000K程度の白色発光素子を実現している。
【0014】
(B)ZnSe系白色発光素子(ZnCdSe発光、ZnSe基板蛍光剤;図4)
これは青色光源としてInGaN−LEDでなくZnCdSe−LEDを使う。蛍光を利用するが独立した蛍光材を用いない。優れて巧妙な素子である。本出願人になる、
【0015】
▲2▼ 特願平10−316169号「白色LED」
【0016】
によって初めて提案されたものである。図4に示すLEDの構造を示す。GaN基板でなくZnSe基板22を用いる。不純物ドープされたZnSe基板22の上にZnCdSeエピタキシャル層23よりなる発光層を設ける。ZnCdSe層23は485nmの青色を出す。ZnSe基板22には、I、Al、In、Ga、Cl、Brのいずれかが発光中心としてドープしてある。不純物ドープZnSe基板22は青色の一部を吸収して585nmに中心をもつブロードな黄色光を発生する。青色光Bと黄色光Yが合成されて、白色Wを作り出す(W=B+Y)。
【0017】
実際には図4のZnCdSe−LEDもリードに付け透明樹脂で囲んで図3の素子のように砲弾型の発光素子にするのであるがそれは図示を略した。これはn型ZnSe基板に不純物ドープしてn型基板自体を蛍光板として利用する。エピ層のZnCdSeは青色を発し、ZnSe基板は黄色の蛍光を発生する。両者が合わさって白色Wとなる。
【0018】
LEDであるから基板は必須である。基板は発光層の物理的な保持機能の他に蛍光板としても機能している。つまり基板を二重に有効利用する精緻な構造となっている。YAGのような独立の蛍光剤が不要である。それが大きい利点である。
【0019】
不純物ドープZnSeの発光のことをSA発光(self activated)と呼ぶ。これは、485nmの青色光と中心波長585nmの黄色光を使用し、10000K〜2500Kの間の任意の色温度の白色を実現している。ZnSe基板を薄くするか不純物濃度を下げると蛍光が劣勢になりZnCdSe発光層の青色光が有力になる。色温度の高い白色が得られる。ZnSe基板を厚くするか不純物濃度を上げると蛍光が優越するから色温度の低い白色が得られる。そのようにちょっとした工夫でいろいろな色温度の白色を得ることができる。
【0020】
先述のようにバンドギャップの広い半導体としてZnSe、SiC、GaNの3つがある。SiCは間接遷移で効率が悪く初めから競争にならない。単結晶基板を製造できるZnSeが一次有力であったが、現在はサファイヤ基板上のGaN、InGaN薄膜によるInGaN青色光が長寿命、高輝度、低コストの青色LEDとして勝利を納めている。InGaN/サファイヤ−LEDは、より波長の短い(エネルギーの高い)青色光を発生できるし、長寿命であり高輝度である。
【0021】
ZnSeは寿命が短くエネルギーが低い(波長が長い)ので青色光LEDとして遅れをとったが、この白色発光素子Bでは基板自体を蛍光板とし特別な蛍光剤を不要とし経済性に優れ低コストの白色発光素子に成長する可能性がある。
本発明は、白色発光素子に関するものである。特に演色性に優れ長寿命・軽量・小型の白色発光素子に関する。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
白色発光素子を特に照明用光源として使用する場合、演色性が重要になる。演色性というのは白熱電球の発光スペクトル形状を100%として、それにどれだけ近似しているかで定義される白色を評価するパラメータである。白熱電球は波長λで分布関数を書くと
【0023】
【数1】

Figure 0003702863
【0024】
のようなスペクトルを持っている。exp()の中に1/λがあるから、すぐに立ち上がり最大値λmaxにいたるが、その後1/λのなだらかな減衰になる。そのように広いスペクトルをもち多様な色を含むので目に優しい白色となる。演色性というのは白色発光素子の発光スペクトルがどれほど式(1)の分布に近いかということである。蛍光灯は当然白熱電球よりも演色性は劣り86%程度である。ということは86%を越えないと蛍光灯以上に優れた白色とは言えない訳である。
【0025】
従来例のAやBのように青色発光LEDの青色光の一部を黄色光に変換することによる白色発光素子では高い演色性を得る事は難しい。その理由は二つある。
【0026】
[理由1] 青色光発光素子(ZnSe−LED、InGaN−LED)が発光するのは青色光の単色であるから本来狭いスペクトル幅しか持っていない。その狭スペクトル青色光が一方にあるから演色性が悪い。
【0027】
[理由2] 青色光を変換して得られた黄色光に、緑色成分や赤色成分が不足している。YAGで変換した蛍光は黄色であって緑や赤が欠ける。また不純物ドープZnSeで変換した蛍光も黄色であって緑成分を全く含まない。赤成分も不足している。やはり白熱電球にとって代わろうとするのであれば、赤や緑など広範な範囲のスペクトルを平等に含むものでなければならない、と思う。
【0028】
【課題を解決するための手段】
本発明の白色発光素子は、紫外光を発生するInGaN−LEDと、塊状のZnS第1蛍光板と、塊状のZnSSe又はZnSe第2蛍光板とよりなり、InGaN−LEDの紫外光によって、ZnS第1蛍光板を励起して青色光蛍光を発生させ、青色光蛍光によってZnSe又はZnSSe第2蛍光板を励起して黄色蛍光を発生させ、外部に青色光蛍光と黄色光蛍光を放出することによって白色を合成する。ZnSSeというのは正確にはZnSSe1−xのことであるが本明細書においては簡単のため混晶比xを省略することもある。
【0029】
つまり本発明には3種類の発光部分がある。
A.紫外光(UV)発光InGaN−LED
B.青色光(B)蛍光発生ZnS第1蛍光板
C.黄色光(Y)蛍光発生ZnSSe(ZnSe)第2蛍光板
そして外部へ出る光Wは青色光と黄色光だけとする。つまりW=B+Yとする。
【0030】
紫外光用のLEDを使う。それが一つの特徴である。紫外光は可視光ではないから外部に出てはいけない。紫外光は外部に出ないようにし第1蛍光板で全部を青色の蛍光に変換させるようにする。青色光の蛍光によって第2蛍光板を励起して黄色光を発生させる。だから蛍光現象を2段階で利用するのである。多くの準位からの電子遷移に基づく蛍光はもともとブロードなスペクトルをもつ。LED光のような急峻なスペクトルを持たない。青色光も黄色光も蛍光なのでスペクトルが広い。広いスペクトルが重なり合うので広い分布の白色ができる。当然に白熱電球の分布に似てくる。だから演色性も高揚する。
【0031】
紫外光の発光波長は340nm〜400nmのものとする。InGaNのLEDでもGaNの比率の高いLEDを用いる必要がある。そのような短波長の紫外光はZnSe系のLEDでは発生させることができない。InGaNに限定される。
【0032】
蛍光は励起光より必ず波長が長くなるのであるから、青色光の蛍光を得るためには青色光のLEDでは役に立たない。それよりもエネルギーの高い、紫外光の光源が不可欠である。幸いな事に赤色発光素子として開発されたInGaNのLEDは青色紫色など可視光を発光することもできるがGaの混晶比を増やすことによって紫外光をも出す事ができる。本発明はInGaN系で紫外光を発光する白色発光素子を根元的な光源として2段階蛍光現象を利用して演色性の優れた白色を作り出そうとするものである。
【0033】
紫外光LED+2段階蛍光が本発明の骨子である。紫外光は外部に出ず蛍光の二種類(青蛍光、黄蛍光)が外部に出てゆく。蛍光はもともとスペクトル幅が広いので演色性という点では有利なのである。そのように2段階蛍光によって白色を創造するというのは本発明が最初である。真に優れた着想であると言わねばならない。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明者は上記の課題を解決するために蛍光材を検討した。その結果、3族元素または7族元素が混入したZnS結晶を紫外線で励起して、青色光を発光させ、その青色光で3族または7族元素が混入したZnSe(またはZnSSe混晶)を励起して黄色光を発生させ、青色光と黄色光を混ぜ合わせるようにした白色発光素子を発明した。
【0035】
本発明は、一つのLED光源と2種類の蛍光を利用している。→によって蛍光板の変換作用を表現すると本発明の素子の作用は以下のように略記できる。
Figure 0003702863
【0036】
第1の蛍光材はバンドギャップの広い半導体であるZnSであり、第2の蛍光材はよりバンドギャップの狭い半導体であるZnSSe1−x(0≦x<1)である。
【0037】
図7はその原理を説明するための略図である。下からInGaN−LED/ZnS/ZnSSeよりなる構造である。LEDの紫外光でZnSを励起して青色光蛍光を発生させ、青色光によってZnSSeを励起して黄色光蛍光を発生させる2段階蛍光を示す。
【0038】
図8は下からInGaN−LED/ZnS/ZnSe(ZnSSe)よりなる構造で、発光波長の領域を略示したものである。340nm〜400nmのInGaN・LED紫外光を、ZnSで480nm中心の青色光に変え、青色光をZnSSeによって585nm中心の黄色光に変換している。340nmはZnSのバンドギャップであり、それ以上の波長でZnSを励起すべきだということを意味する。465nmはZnSeのバンドギャップ波長で、それ以上の波長でZnSeを励起すべきだということを意味する。
【0039】
[1.第1蛍光板(ZnS)]
ZnSの結晶にAl、In、Ga、Cl、Br、Iの何れかの不純物を添加すると蛍光を生ずるようになる。それはバンドギャップエネルギーより低いエネルギーの蛍光であり伝導帯の下にできるドナーと価電子帯の上にできるアクセプタの間で電子が遷移することによっておこる蛍光だと考えられる。上記の不純物はそのような比較的深いドナー、アクセプタを形成するのであろうと考えられる。浅いレベルであれば単に伝導性を与えるだけであるが深いレベルなので電子、正孔が安定して存在し光照射によってやっと励起されてドナー・アクセプタ遷移を引き起こすのであろう。レベルがたくさんできるので蛍光の準位も多数あり、それがスペクトルの幅を広くしているのであろう。
【0040】
ZnSからの青色光(蛍光)は中心波長が480nm近辺の光であるが、波長スペクトルは青−緑−黄緑に及ぶ広い波長分布を持っている。それは多数のレベル間の遷移が重畳したものであるからである。
【0041】
ZnSは400nm以下のエネルギーの高い紫外光よって励起されて先述の480nmに中心をもち青・緑・黄緑に広がる蛍光を発生する。それよりエネルギーの低い青色光のLED光ではZnSから蛍光を引き出すことができない。だからLEDは400nm以下の紫外光とする。励起光の波長の下限(エネルギーの上限)は340nmである。その理由については後に詳しく述べる。
【0042】
紫外光の定義であるが、厳密に定義するものもあり厳密でないものもある。13nm〜393nmが紫外光だという定義もある。そうなると本発明が励起光として用いる波長帯(340nm〜400nm)の内393nm〜400nmの7nm分は紫外光でなく紫色と言うべきである。しかし、それは面倒なので、本明細書では400nmまでを紫外光と表現することもある。
【0043】
[2.第2蛍光板(ZnSSe1−x)]
ZnSSe1−x(0≦x<1;ZnSeを含む)の結晶にAl、In、Ga、Cl、Br、Iの何れかの不純物を添加すると蛍光を生ずるようになる。それはバンドギャップエネルギーより低いエネルギーの蛍光であり伝導帯の下にできるドナーと価電子帯の上にできるアクセプタの間で電子が遷移することによっておこる蛍光だと考えられる。上記の不純物はそのような比較的深いドナー、アクセプタを形成するのであろうと考えられる。浅いレベルであれば単に伝導性を与えるだけであるが深いレベルなので電子、正孔が安定して存在し光照射によってやっと励起されてドナー・アクセプタ遷移を引き起こすのであろう。レベルがたくさんできるので蛍光の準位も多数あり、それがスペクトルの幅を広くしている。そのようなことは第1蛍光材のZnSと同様である。しかしZnSよりバンドギャップが狭いから蛍光のエネルギーも低く(波長が長く)なる。
【0044】
蛍光材としてのZnSe(ZnSSe)は480nm近辺の波長の光で効率よく励起され中心波長585nmの黄色光を発する。中心波長は585nmであるが実際はその両側に幅広く広がっている。ZnSe蛍光の波長スペクトルは黄緑−黄色−赤色に及ぶ広い波長分布を持っている。
【0045】
ZnSeに比率xでZnSを混合したZnSSeはバンドギャップがZnSeより広いので不純物ドープによるドナー・アクセプタの高さの差も広くなり蛍光の波長が短くなる。ZnSSeの場合は、480nmより短い光でよく励起されて585nmより短い波長にピークをもつ蛍光を発生する。つまり赤成分が弱くなり黄色成分が増える。目的とする白色のスペクトルによって第2蛍光板の硫黄Sの混晶比xを0から増やすことにすればよい。
【0046】
[3.二つの蛍光の合成]
第1蛍光板のZnSからの青色光と第2蛍光板ZnSe(又はZnSSe)からの黄色光を合わせると、可視領域の全域をカバーする波長スペクトルを持つ白色となる。いずれもスペクトル幅の広い蛍光を組み合わせたものだから演色性の高い白色を実現することができる。
【0047】
そのために第1蛍光板(ZnS)の厚みF、第2蛍光板(ZnSSe)の厚みHには、ある制限が課されることになる。
【0048】
それはInGaN−LEDの紫外光が第1蛍光板で完全に吸収されること、青色光蛍光が第2蛍光板で完全に吸収されない事という二重の条件が必要だからである。
【0049】
LEDからの光、第1蛍光板からの光は二次元的な広がりを持つが、ここでは簡単に一次元の問題として考える。LEDの紫外光のZnS第1蛍光板での吸収係数をαとする。ZnS蛍光板の端から内部に向けて縦方向に座標zを考える。第1蛍光板の始端での強度を1とすると第1蛍光板内部z点での紫外光の強度はexp(−αz)によって表現される。蛍光板の裏側では(z=F)紫外線強度はexp(−αF)となる。
【0050】
紫外線が全部吸収されて青色光蛍光に変換されるのが最も良い。しかし上の値が0にはならないから、せいぜい0.1以下あるいは0.01以下というように決める。例えば第1蛍光板の終わりでの紫外線強度が0.1以下だとするべきならば、
【0051】
exp(−αF)≦0.1 (2)
【0052】
となって、第1蛍光板の厚みの範囲が決まる。
【0053】
F≧2.3/α (3)
【0054】
となるし、0.01以下だとすべきならば
【0055】
F≧4.6/α (4)
【0056】
となる。そのように第1蛍光板の厚みの下限は決まるが上限は決まらない。厚すぎるとコスト高になるので上限は経済性などから決めれば良いことである。
【0057】
第2蛍光板は少し事情が異なる。第2蛍光板(ZnSSeまたはZnSe)青色光蛍光の吸収係数をβとする。第2蛍光板の始端z=Fでの青色光蛍光の強度をBとすると、蛍光板内部の点(F<z≦F+H)での青色光蛍光の強度は、Bexp(−β(z−F))によって表現される。青色光蛍光から黄色光蛍光への第2蛍光板での変換効率をγとする。黄色光生成は青色光の強度に比例するから、黄色光蛍光の強度Y(z)は
【0058】
dY=γBexp(−β(z−F))dz (5)
【0059】
という微分方程式を満足する筈である。これは簡単に積分することができて
【0060】
Y=(γB/β){1−exp(−β(z−F))} (6)
【0061】
となる。第2蛍光板(ZnSeまたはZnSSe)の終端z=F+Hでの青色光蛍光Bと、黄色光蛍光Yの強度はそれぞれ
【0062】
B=Bexp(−βH) (7)
【0063】
Y=(γB/β){1−exp(−βH)} (8)
【0064】
となる訳である。本発明の白色は、青色光蛍光Bと黄色光蛍光Yを適当な比率で加え合わせることによって合成される。その比率は
【0065】
【数2】
Figure 0003702863
【0066】
によって与えられる。
【0067】
β、γは不純物ドープ量などで変化させる事ができるパラメータである。Hは第2蛍光板の厚みである。B/Y比(青/黄の比率)を変更したいという場合、ドープ量を変化させることも有効であるが第2蛍光板厚みHを変化させることによっても可能である。
【0068】
逆に言えば、予め所望のB/Y比が与えられ、変換効率β、γも決まっているのであれば、式(9)が第2蛍光板の厚みHを決める決定方程式だということになる。
【0069】
[4.耐水性の問題]
YAGの場合でもそうであるが蛍光剤というのはできるだけ光を受け易いように微小な粉末にして透明の媒体の中に薄く分散する。それが普通の使い方である。しかしZnS系やZnSe系の蛍光剤は耐水性に欠ける。つまり粉末にすると水を吸収してしまい劣化する。ZnS、ZnSeが蛍光剤としてこれまで利用されなかったのは不純物添加によって蛍光を発生するということが分かっても強い吸収性のため信頼性が低く蛍光剤として使いにくいという問題があったからである。
【0070】
だからZnSeやZnSはYAGのような蛍光剤としての実績がない。しかし考えてみれば蛍光剤を微小粉末にしなければならないのは、それが光に対し不透明だからである。不透明な蛍光剤で光が中へ入って行かないので、できるだけ直径の小さい微粉末とする必要があったのである。微小粉末にするとプラスチックやガラスに分散してあっても容易に吸水して急速に劣化する。そのような理由で蛍光剤は吸水性があってはならないとされて来たのである。
【0071】
[5.塊状の蛍光板]
粉末は実効的な表面積が広いので水が容易に滲みる。表面積が狭ければ水が内部へ入りにくいはずである。ZnSやZnSeの著しい吸水性を克服するには微小粉末にせず、その反対で粒径の大きい多結晶にする、あるいは全体を単結晶にすれば良いのである。粒界から水が入り浸透するのだから多結晶でも粒径が大きいと吸水性は減るはずである。単結晶にすれば、より吸水性は減少するであろう。表面から水が浸透するとしても内部まで水が入るのには時間がかかるし充分に厚いと最早内部まで水が浸透できない。
【0072】
本発明者は、粉末状の蛍光剤を使用する代わりに、塊状の単結晶もしくは多結晶ZnS(若しくはZnSe)から構成される蛍光板を使用すればよい、ということに気付いた。そうすれば、蛍光材体積に対する表面積の割合が非常に小さくなるので、耐水性が格段に向上する。塊状の蛍光材をプラスチックやガラスで被覆すれば容易に水が浸透できないはずである。
【0073】
[6.励起光の波長の制限]
従来の蛍光物質のように微粉末として分散したのは励起光に対し、それが不透明であり内部へ入って行かないものだからである。本発明では吸収性を克服するため塊状の蛍光材を用いる。塊状とすると光に対して不透明であってはいけない。不透明だと励起光が内部へ入らず蛍光物質の大部分が無駄になるからである。ということは励起光に対し蛍光材を透明としなければならないということである。それは新しい拘束条件となる。
【0074】
どうすればよいのか?もともとZnSeやZnSは可視光に対して透明に近く(わずかに黄色を帯びる)て、ある程度の紫外光に対しても透明である。しかしZnS、ZnSeの吸収端波長(バンドギャップ波長)より短い紫外光はすぐに吸収してしまう。それはどのようなものでも共通の性質である。そこで本発明は励起光の波長を蛍光材の方から限定する。励起光波長をΛrとすると、それを蛍光材のバンドギャップ波長(吸収端波長)λgよりも長いものとする。
【0075】
Λr>λg (10)
【0076】
とするのである。これは励起光のエネルギーの下限を決定する。上限は先ほど述べたように、それを励起して蛍光を発生しうるという点で決定する。
【0077】
両方の蛍光材について共通に言えば、蛍光板を構成するZnS結晶やZnSe結晶の禁制帯幅(バンドギャップ)より小さなエネルギーを持った励起光を使用するということである。
【0078】
そうすれば、励起光に対する蛍光板の吸収係数が小さくなり、蛍光板内部まで励起光が進入し、蛍光板全体で発光することになる。だから表面の影響が小さくなる。それは吸収性を克服するために課されることになった条件である。
【0079】
室温でのZnSSeのバンドギャップEgは
【0080】
Eg=2.7+1.63x−0.63x (eV) (11)
【0081】
によって近似される。単位はeVである。1239をバンドギャップで割ったものが吸収端波長(バンドギャップ波長)λg(nm)である。
【0082】
λg(nm)=1239/Eg (12)
【0083】
(11)式によってZnSe、ZnSや、ZnSSeのバンドギャップEgが分かる。
【0084】
[7.InGaN−LEDの波長の制限]
ZnS結晶の禁制帯幅は室温で3.7eVであるから吸収端波長は約340nm(λg1とする)である。塊の内部まで励起光が浸透するようにするため(Λr>λg1という制限)ZnS結晶は340nmより長波長で励起すれば良いということが分かる。それが励起光波長の下限を与える。上限は先述のようにZnSから蛍光を出させるという条件で400nm以下だというように決まる。だからZnSを励起するInGaN−LEDの励起波長Λrは、
【0085】
340nm≦Λr≦400nm (13)
【0086】
ということになる。これは紫外(340〜393nm)と紫(394〜400nm)を含むが簡便に紫外光と呼ぶことにする。InGaNのGaの比率を上げることによって、そのような短い波長の紫外光を発生することができるようになる。
【0087】
[8.ZnS蛍光板の波長の制限]
青色光蛍光波長をΛqによって表現する。それはZnSe蛍光板では励起光だからΛによって表現している。ZnSe蛍光板がどのような波長の光を出せばよいのか?それは第2蛍光板の材料によるわけである。第2蛍光材としてZnSeを用いる場合を考える。ZnSe結晶の禁制帯幅は室温で2.7eVであり対応する吸収端波長は460nm(λg2とする)である。内部まで励起光が入るという条件(Λq>λg2)を満足するため、ZnSe蛍光板は465nmより長波長で励起すれば良い。
【0088】
第1のZnS蛍光板から発せられた青色光の中心波長は約480nm(Λq)である。これは465nm(λg2)より長波長である要件(Λq>λg2)を満たしている。480nm中心といっても広がりがあり、第1蛍光板ZnSが発生する蛍光は465nmより短い波長成分をも含むのであるが、それは少ない。
【0089】
そもそもZnSeは480nm程度の青色で良く励起され黄色の蛍光を発生する。だからZnSの発生する蛍光が480nm中心だというのは好都合なことである。
【0090】
第2蛍光板をZnSSe混晶にするとバンドギャップ波長(λg3とする)が465nmより短くなる(λg2>λg3)。だからZnSの青色光蛍光(480nm中心;Λq>λg2)は依然としてΛq>λg3という条件を満足し第2蛍光板の内部まで深く浸透することができる。混晶の第2蛍光板も黄色の蛍光を発生するが中心波長が585nmよりも短波長側へよる。そうすると、緑がかった白色ができる。
【0091】
[9.蛍光材にドープする不純物濃度]
ZnS結晶やZnSe結晶が青色光や黄色光を発するためには、Al、In、Ga、Cl、Br、Iの何れかの不純物をドープ(混入)する必要がある。その濃度が小さすぎるとあまり発光しない。少なくとも1×1017cm−3以上の濃度の不純物の混入が必要である。変換効率βは不純物濃度に比例して増大する。不純物濃度は重要な設計パラメータとなる。これらの不純物は意図的に添加することもできる。そうでなくてZnSe、ZnSの製造方法によっては、製造工程でいずれかの不純物が前記の濃度以上に含まれるという場合もある。その場合は意図的にその不純物を添加する必要はない訳である。
【0092】
[10.蛍光板の熱処理]
ZnSe結晶、ZnSSe結晶、ZnS結晶は粒界が大きい方が吸水しないので良いと説明した。平均粒径が蛍光板の厚み以上にすると一層良い。単結晶とすると粒界がないから、より好ましい。それは結晶の態様のことである。ヨウ素輸送法でこれらの多結晶や単結晶ができるが、そのままでは欠陥が多くて品質が悪い。そこで、Zn雰囲気で、ZnSe結晶、ZnSSe結晶、ZnS結晶を、1000℃程度の高温で熱処理して結晶の欠陥を減少させる。そうすることによって蛍光を強化することができる。非発光損失をも抑制できる。
【0093】
[11.蛍光板のミラー研磨]
ZnS蛍光板やZnSe蛍光板の励起光が入射する側の面は、入射効率を高めるためにミラー研磨することが望ましい。加えて、反射防止膜を形成すれば、より好ましいと考えられる。蛍光板のそれ以外の面に関しては、必ずしもミラー研磨する必要はないが、加工上の必要に応じてミラー研磨しても構わない。
また蛍光板内で発生した青色光や黄色光の出射効率を高めるための表面加工を施すのも有用である。
【0094】
【実施例】
[実施例1(図1)]
図1に本発明の実施例にかかる白色発光素子の断面図を示す。Γ型リード30とL型リード32を組み合わせた2本のリードがある。組み合わせのためにΓ型リード30の壁面には狭い通し穴33が穿孔してある。その通し穴にL型リード32の先端を挿入するようにして組み合わせる。Γ型リード30は上方に開口する広い凹部34を有する。凹部34の底部にサファイヤ基板上にInGaN層を形成した紫外光LED35を電極36、37を下にして実装してある。だからサファイヤ/InGaN−LED35はサファイヤ基板が上にエピタキシャル層が下にある。二つの電極36、37も下向きになっている。一方の電極36はΓ型リード30に接合される。他方の電極37は他方のL型リード32に接合されている。そのように裏返しにInGaN−LED35を取り付けているからワイヤは不要である。しかしそれに限らずサファイヤ基板を下向きにして電極が上を向くように取り付け2本のワイヤで電極とリードを接続してもよい(図3のように)。電極、リードの接続形式は自由である。
【0095】
InGaN−LED35のすぐ上にZnSよりなる第1蛍光板38が載せられている。InGaN−LEDの紫外光を青色光に変換するための第1蛍光板38である。第1蛍光板38の上に、ZnSe第2蛍光板39が搭載してある。第2蛍光板は青色光を黄色光蛍光に変換するためのものである。この例ではZnSe第2蛍光板39が少し狭いが、その外側から直接に青色光が上方へ出てゆくようにしているのである。第2蛍光板39/第1蛍光板38/LED35の上を覆うように拡散剤を分散させた透明樹脂40が凹部34に充填されている。第1蛍光板で青色光蛍光が、第2蛍光板で黄色光蛍光が生成され、それが上向きに放射される。拡散剤でその光が散乱されて適度に青色光と黄色光が混合して上から見ると白色に見えるのである。
【0096】
次にそのような白色発光素子の製造方法を述べる。ヨウ素を輸送媒体とする化学輸送法(CVT)でZnS単結晶とZnSe単結晶を作製した。化学輸送法というのは容器の下に置いたZnS、ZnSe多結晶をヨウ素雰囲気で加熱しSeとZnIまたはSとZnIとして蒸発させ、上部に置いたより低温の種結晶の上に固化させ単結晶を成長させる方法である。図5に化学輸送法を示す。
【0097】
反応炉86の下方にZnSe(またはZnS)多結晶87を置く。反応炉86の上方にサセプタ88を介してZnSe(またはZnS)種結晶89を取り付ける。反応炉86の雰囲気はヨウ素である。多結晶87のある下方を高温T1に、種結晶89のある上方を低温T2にする。高温(T1)側で
【0098】
2ZnSe+2I→2ZnI+Se (14)
【0099】
という反応が起こる。ZnI、Seは拡散によって上昇し天井の種結晶89に至る。これは低温T2であるから反対の反応が起こり、
【0100】
2ZnI+Se→2ZnSe+2I (15)
【0101】
となる。生成したZnSeが種結晶89の下面に堆積してゆく。気体であるヨウ素Iは拡散によって下方へ戻りZnSe多結晶87に再び接触し式(14)の反応を引き起こす。そのような繰り返しによって単結晶のZnSeを成長させることができる。その手法はZnSやZnSSeの混晶にも用いることができる。成長速度は1mm/日といった程度である。
【0102】
得られたZnS単結晶から切り出した厚み300μm、面方位(100)のZnS結晶基板をZn雰囲気中、1000℃で熱処理をした。
【0103】
Zn中の熱処理は結晶欠陥を減らすために行う。それはZnSe、ZnS、ZnSSeのどれでも同じ装置で行うことができる。図6は熱処理室90を示す。ZnSe単結晶基板89をその中に置いてZn雰囲気で1000℃、50時間熱処理する。その後−60℃/分の割合で降温して常温に到る。ZnSの場合はそれより少し高い温度で熱処理する。その方法や効果はほぼ同じである。
【0104】
そのZnS結晶基板の両面をミラー研磨した後、スクライブブレークし、400μm角、厚み200μmのZnS蛍光板38を作製した。
【0105】
同様に、ZnSe単結晶から切り出した厚み200μm、面方位(100)のZnSe基板をZn雰囲気1000℃で熱処理した。このZnSe基板を両面ミラー研磨した後、スクライブブレークして300μm角、厚み100μmのZnSe蛍光板39を作製した。
【0106】
またサファイヤ基板を使用したInGaN活性層を持つ発光波長380nmの青色LEDチップ35を準備した。このLEDチップ35を図1にあるようにフリップチップ型に実装し、LEDの上側(サファイヤ基板の上側)にZnS蛍光板38を透明樹脂を介して貼り付けた。
【0107】
さらにZnS蛍光板38の上にZnSe蛍光板39を透明樹脂を介して貼り付けた。LEDチップ35とZnS蛍光板38とZnSe蛍光板39全体を、拡散剤(SiC粉末)を分散させた透明樹脂40で覆ってやり、更に全体を透明樹脂によって樹脂モールドして砲弾型の白色発光素子を作製した。この白色発光素子に通電して発光させたところ、色温度5000Kの白色を得ることができた。色温度の低い白色を生成できるということである。
【0108】
分光してスペクトルを調べた。発光スペクトルを図2に示す。横軸は波長(nm)、縦軸は相対発光強度である。発光強度は400nmから立ち上がり、450nm〜490nmに高い分布をもつ。それが第1蛍光板ZnSによる蛍光の分布である。ZnSの蛍光は青色光から緑まで広がっている。
【0109】
それらより長波長側に、585nmに中心をもち、530nm〜650nmに渡るなだらかなピークがある。それは第2蛍光材ZnSeによる蛍光のスペクトルである。これは黄色が中心であるが、赤にも緑にも広がりがある。両方の蛍光板からの発光は互いに重なり合い可視領域全体に及ぶ発光が得られている。450nm〜480nmの青色光の強度を1として495nm〜520nmの緑が少し弱いが、それでも0.78以上の強度がある。だから440nm〜650nmに広がった理想的な白色のスペクトルを与える。平均演色評価係数を計算すると89となった。3波長型の蛍光灯並みの高い演色性を有しているということが判明した。
【0110】
【発明の効果】
紫外線発光LEDを使用した白色発光素子の作製において、演色性が高い白色発光素子が製造可能になった。演色性が良いので照明用にできる白色である。一つの素子では照明として不十分であるが、本発明の白色発光素子を多数マトリックス状に配列すれば充分な光量を作り出すことができる。実績のあるサファイヤ基板InGaN−LEDのpn接合によって発光するのだから長寿命である。蛍光材は吸水性のあるZnSe、ZnS、ZnSSeを用いるが塊としており内部まで水が入らないようにしている。だから蛍光板も長寿命となる。その点で白熱電球や蛍光灯に勝る。
【0111】
2段階の蛍光現象を利用したものであるが励起光は蛍光板のバンドギャップよりも低いエネルギーを持つものとするから蛍光板の内部まで浸透して蛍光を発生する。内部まで到達できるような波長であるから、その一部は蛍光板を透過することもできる。だから2段階蛍光で両方の蛍光を足し合わせたものを外部へ放射するようにできる。発光ダイオードと同じ形状にできるから一つの素子は軽量小型である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Γ型リードとL型リードを組み合わせてなるΓ型リードの凹部に紫外線発光InGaN−LED、ZnS第1蛍光板、ZnSe第2蛍光板を積層し、上部を拡散剤を分散した透明樹脂によって覆い全体を透明の樹脂でモールドした本発明の実施例にかかる砲弾型白色発光素子の縦断面図。
【図2】紫外線発光InGaN−LED、ZnS第1蛍光板、ZnSe第2蛍光板を積層してなる本発明の実施例にかかる白色発光素子の発光スペクトル図。横軸は波長(nm)、縦軸は相対発光強度である。
【図3】▲1▼「光機能材料マニュアル」光機能材料マニュアル編集幹事会編、オプトエレクトロニクス社刊、p457、1997年6月、によって提案されたYAG/InGaN白色発光素子の断面図。
【図4】▲2▼特願平10−316169号「白色LED」によって初めて提案された不純物ドープZnSe基板の上にZnCdSeエピタキシャル発光層を設けZnCdSeの青色光発光をZnSe基板で黄色光蛍光に変え青色光と黄色光を合成して白色を得るようにしたZnCdSe/ZnSe白色発光素子の概略構造図。
【図5】ZnSe多結晶からZnSe単結晶を製造する化学輸送法を説明するための断面図。
【図6】熱処理室においてZnSe単結晶をZn雰囲気で熱処理している状態を説明するための断面図。
【図7】ZnSSe/ZnS/InGaN−LEDよりなる本発明の白色発光素子において、InGaN−LEDの紫外光をZnS蛍光板によって青色光蛍光に変換し、その一部の青色光によって、ZnSSe蛍光板によって黄色光蛍光に変換し、青色光と黄色光を合成することによって白色とする本発明の原理を示す説明図。
【図8】ZnSe/ZnS/InGaN−LEDよりなる本発明の実施例にかかる白色発光素子において、340nm〜400nmのInGaN−LEDの紫外光によって、ZnS蛍光板を励起し480nm中心波長の青色光蛍光を発生させ、その青色光蛍光によってZnSe蛍光板を励起して585nm中心波長の黄色光蛍光を発生させ、中心波長480nmの青色光蛍光と、中心波長585nmの黄色光蛍光を合成して白色とする原理を説明する図。
【符号の説明】
2 Γ型リード
3 凹部
4 青色光InGaN−LED
5 蛍光剤を分散させた透明樹脂
6 電極
7 電極
8 ワイヤ
9 ワイヤ
10 I型リード
20 透明樹脂
22 不純物ドープZnSe基板
23 ZnCdSe発光層
30 Γ型リード
32 L型リード
33 通し穴
34 凹部
35 紫外光InGaN−LED
36 電極
37 電極
38 ZnS第1蛍光板
39 ZnSe第2蛍光板
40 拡散剤を分散させた透明樹脂
42 透明モールド樹脂
86 反応炉
87 ZnSe(ZnS)多結晶
88 サセプタ
89 ZnSe(ZnS)種結晶
90 熱処理室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lightweight, small, and long-life white light-emitting element capable of generating a white color with excellent color rendering that can be used for illumination, display, liquid crystal backlight, and the like with a single element structure. .
[0002]
Many light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) are manufactured and sold as small light emitting elements. As LEDs having high luminance, red LEDs, yellow LEDs, green LEDs, blue LEDs, and the like are commercially available. The red LED is an LED having AlGaAs, GaAsP or the like as an active layer. Yellow and green are LEDs having GaP as a light emitting layer. Orange and yellow can be produced by an LED having a light emitting layer of AlGaInP.
[0003]
The blue color requiring wide band gap interband transition was the most difficult and difficult. SiC, ZnSe, and GaN-based materials have been tried and competed. However, it has been found that GaN-based materials with high brightness and long life are overwhelmingly superior, and wins and losses are already attached. Since the GaN-based LED actually has an active layer of InGaN, it will be referred to as an InGaN-based LED, InGaN-LED, etc., but the substrate is sapphire and the main layer structure is GaN. Since these semiconductor light emitting elements such as LEDs and LD use band gap transition, naturally they emit light of a single color with a narrow spectrum width. If it is as it is, it is not possible to make a complex color with semiconductor elements.
[0004]
[Prior art]
Illumination light sources are useless with monochromatic light sources. A liquid crystal backlight cannot be a monochromatic light source. A white light source is required for illumination. In particular, white with high color rendering properties is desirable. A liquid crystal backlight also requires a white light source. Incandescent bulbs and fluorescent lamps are still used exclusively as lighting sources. Incandescent light bulbs are suitable for lighting because of their high color rendering properties, but they have the disadvantages of poor efficiency and short life. Fluorescent lamps have a short life span, require heavy objects, and are large and heavy equipment.
[0005]
The appearance of a white light source that is smaller, has a longer life, is more efficient, and is less expensive is awaited. If it is light weight, small size, long life, and high efficiency, it seems that it is already only a semiconductor element.
[0006]
In fact, there are blue LEDs, green LEDs, and red LEDs, so if these three light colors are combined, white should be synthesized. If three types of LEDs of blue, green, and red are uniformly attached to the panel and light is emitted at the same time, it should be white. It seems that such a three-color mixed LED has already been proposed and implemented in part. Three colors can produce a white color, but it must not appear as a separate single color, so the three types of LEDs must be distributed at a high density.
[0007]
In addition, since the three types of LEDs have different current, voltage, and light emission characteristics, they must be separated from each other, resulting in three power sources. Difficult to align due to variations in brightness. Although there is such a problem, above all, a large number of three kinds of LEDs are densely arranged in parallel, so that it becomes an expensive light source.
[0008]
Expensive light sources are not widespread and useless. We would like to make a low-cost small white light emitting element as a semiconductor device. There are two known technologies for semiconductor light-emitting devices using a single light-emitting device. One is a composite LED in which an InGaN-LED (light emitting element on a GaN substrate) is surrounded by a YAG phosphor. The other is that the ZnSe substrate of ZnSe-LED is doped with impurities to form a phosphor, and the ZnSe fluorescent part is excited by the blue color of the ZnSe-LED light emitting part (ZnCdSe) (referred to as SA emission) to generate yellow and orange colors. White is obtained by combining yellow and orange. For simplicity, the former will be referred to as a GaN-based white light-emitting element (A), and the latter will be referred to as a ZnSe-based white light-emitting element (B). Each will be described.
[0009]
(A) GaN-based white light emitting device (YAG + InGaN-LED; FIG. 3)
This uses InGaN-LED, for example,
(1) “Optical Functional Materials Manual”, edited by the Executive Committee for Optical Functional Materials Manual, published by Optoelectronics, p457, June 1997. FIG. 3 shows the structure.
[0010]
A recess 3 is provided in the horizontal portion of the Γ-type lead 2, and an InGaN-LED 4 is attached to the bottom of the recess 3. The recess 3 accommodates a resin 5 in which a Ce-added YAG fluorescent material is dispersed. YAG fluorescent materials have the property of absorbing blue light and generating a lower energy yellow. Such a material that absorbs light with high energy and is excited to be excited to return to the original level, and light with low energy emitted is called fluorescence. The material that produces it is called a fluorescent material. Since it returns to the original level via various levels, the energy spreads and the fluorescence spectrum is wide. The energy loss becomes heat.
[0011]
The electrodes 6 and 7 of the InGaN-LED 4 are connected to the lead 2 and the lead 10 by wires 8 and 9. The upper portions of the leads 2 and 10 and the fluorescent agent resin 5 are covered with a transparent resin 20. Thereby, a bullet-type white light emitting element is manufactured. Since InGaN-LED uses an insulating sapphire substrate, an n-electrode cannot be provided on the bottom surface, and an n-electrode and a p-electrode are formed at two locations on the top surface, and two wires are required.
[0012]
This surrounds the InGaN-based blue LED 4 with a resin layer 5 in which a YAG fluorescent agent is dispersed, and a part of the blue light B is converted into yellow light Y by the fluorescent agent, and the original blue light B and yellow light Y are converted. Is combined to realize white W (= B + Y). White can be produced with a single light-emitting element. Here, Ce-activated one is used as the YAG fluorescent agent. The light of 460 nm is used as the blue light B of the InGaN-LED. The center wavelength of yellow light Y converted by YAG is about 570 nm. That is, YAG absorbs blue light of 460 nm and converts it into yellow light having a broad peak at about 570 nm.
[0013]
Since the light-emitting element InGaN-LED has high luminance and long life, this white light-emitting element also has an advantage of long life. However, since YAG is an opaque material, blue light is strongly absorbed, and the conversion efficiency is not good. This realizes a white light emitting element having a color temperature of about 7000K.
[0014]
(B) ZnSe-based white light emitting device (ZnCdSe light emission, ZnSe substrate fluorescent agent; FIG. 4)
This uses ZnCdSe-LED instead of InGaN-LED as a blue light source. Fluorescence is used but no separate fluorescent material is used. Excellent and clever element. Become the applicant,
[0015]
(2) Japanese Patent Application No. 10-316169 "White LED"
[0016]
It was first proposed by The structure of LED shown in FIG. 4 is shown. A ZnSe substrate 22 is used instead of the GaN substrate. A light emitting layer made of the ZnCdSe epitaxial layer 23 is provided on the impurity-doped ZnSe substrate 22. The ZnCdSe layer 23 emits a blue color of 485 nm. The ZnSe substrate 22 is doped with any one of I, Al, In, Ga, Cl, and Br as the emission center. The impurity-doped ZnSe substrate 22 absorbs a part of blue and generates broad yellow light having a center at 585 nm. Blue light B and yellow light Y are combined to produce white W (W = B + Y).
[0017]
Actually, the ZnCdSe-LED of FIG. 4 is also attached to the lead and surrounded by a transparent resin to form a bullet-type light emitting device like the device of FIG. 3, but this is not shown. In this method, an n-type ZnSe substrate is doped with impurities and the n-type substrate itself is used as a fluorescent plate. The epilayer ZnCdSe emits blue, and the ZnSe substrate emits yellow fluorescence. Together, they become white W.
[0018]
Since it is LED, a board | substrate is essential. The substrate functions as a fluorescent plate in addition to the physical holding function of the light emitting layer. That is, it has an elaborate structure that effectively uses the substrate twice. An independent fluorescent agent such as YAG is unnecessary. That is a great advantage.
[0019]
The emission of impurity-doped ZnSe is called SA emission (self activated). This uses blue light with a wavelength of 485 nm and yellow light with a center wavelength of 585 nm, and realizes white having an arbitrary color temperature between 10,000 K and 2500 K. When the ZnSe substrate is thinned or the impurity concentration is lowered, the fluorescence becomes inferior and the blue light of the ZnCdSe light emitting layer becomes dominant. A white color having a high color temperature is obtained. When the ZnSe substrate is thickened or the impurity concentration is increased, the fluorescence becomes superior, so that white having a low color temperature can be obtained. With such a little ingenuity, whites with various color temperatures can be obtained.
[0020]
As described above, there are three semiconductors with wide band gaps: ZnSe, SiC, and GaN. SiC is indirect transition and is not efficient and does not compete from the beginning. ZnSe, which can produce a single crystal substrate, was primary. Currently, InGaN blue light from GaN and InGaN thin films on sapphire substrates is winning as a long-life, high-brightness, low-cost blue LED. InGaN / Sapphire-LEDs can generate blue light with a shorter wavelength (higher energy), have a longer lifetime, and have higher brightness.
[0021]
Since ZnSe has a short life and low energy (long wavelength), it has been delayed as a blue light LED. However, in this white light emitting element B, the substrate itself is a fluorescent plate, a special fluorescent agent is not required, and it is excellent in economic efficiency and low cost. There is a possibility of growing into a light emitting device.
The present invention relates to a white light emitting device. In particular, the present invention relates to a white light emitting device having excellent color rendering properties and a long life, light weight and small size.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
When the white light emitting element is used as an illumination light source, color rendering is important. The color rendering property is a parameter for evaluating white color defined by how close the light emission spectrum shape of an incandescent bulb is to 100%. Incandescent light bulbs have a distribution function written at a wavelength λ
[0023]
[Expression 1]
Figure 0003702863
[0024]
Have a spectrum like Since exp () has 1 / λ, the maximum value λ rises immediately. max But then 1 / λ 5 Becomes a gentle attenuation. Since it has such a wide spectrum and includes various colors, it is white that is kind to the eyes. The color rendering property is how close the emission spectrum of the white light emitting element is to the distribution of the formula (1). Naturally, fluorescent lamps are inferior in color rendering to incandescent bulbs and are about 86%. This means that it cannot be said that white is superior to fluorescent lamps unless it exceeds 86%.
[0025]
It is difficult to obtain high color rendering properties with a white light emitting element by converting a part of blue light of a blue light emitting LED into yellow light as in A and B of the conventional example. There are two reasons for this.
[0026]
[Reason 1] The blue light emitting element (ZnSe-LED, InGaN-LED) emits a single color of blue light, so that it originally has only a narrow spectral width. The color rendering is poor because the narrow spectrum blue light is on one side.
[0027]
[Reason 2] The yellow light obtained by converting the blue light lacks the green component and the red component. The fluorescence converted with YAG is yellow and lacks green and red. The fluorescence converted with the impurity-doped ZnSe is also yellow and does not contain any green component. The red component is also lacking. If we are going to replace incandescent light bulbs, I think that they should include a wide range of spectrums such as red and green.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
The white light emitting device of the present invention includes an InGaN-LED that generates ultraviolet light, a bulk ZnS first fluorescent plate, and a bulk ZnSSe or ZnSe second fluorescent plate, and the ZnS first fluorescent plate is obtained by the ultraviolet light of the InGaN-LED. Is excited to generate blue light fluorescence, the ZnSe or ZnSSe second fluorescent plate is excited by blue light fluorescence to generate yellow fluorescence, and white light is synthesized by emitting blue light fluorescence and yellow light fluorescence to the outside. ZnSSe is exactly ZnS x Se 1-x However, in the present specification, the mixed crystal ratio x may be omitted for simplicity.
[0029]
That is, the present invention has three types of light emitting portions.
A. Ultraviolet (UV) light emitting InGaN-LED
B. Blue light (B) fluorescence generating ZnS first phosphor plate
C. Yellow light (Y) fluorescence generating ZnSSe (ZnSe) second fluorescent plate
The light W emitted to the outside is only blue light and yellow light. That is, W = B + Y.
[0030]
Use LED for ultraviolet light. That is one feature. Ultraviolet light is not visible light, so do not go outside. Ultraviolet light is prevented from going outside, and the first fluorescent plate converts all into blue fluorescence. The second fluorescent plate is excited by blue light fluorescence to generate yellow light. Therefore, the fluorescence phenomenon is used in two stages. Fluorescence based on electronic transitions from many levels originally has a broad spectrum. It does not have a steep spectrum like LED light. Since both blue and yellow light are fluorescent, the spectrum is wide. Wide spectrum overlaps, so a wide distribution of whites is produced. Naturally it resembles the distribution of incandescent bulbs. Therefore, color rendering properties are enhanced.
[0031]
The emission wavelength of ultraviolet light is 340 nm to 400 nm. It is necessary to use an LED having a high GaN ratio even for an InGaN LED. Such short-wavelength ultraviolet light cannot be generated in a ZnSe-based LED. Limited to InGaN.
[0032]
Since the fluorescence always has a longer wavelength than the excitation light, a blue light LED is not useful for obtaining blue light fluorescence. An ultraviolet light source with higher energy is indispensable. Fortunately, an InGaN LED developed as a red light emitting element can emit visible light such as blue-violet, but can also emit ultraviolet light by increasing the Ga mixed crystal ratio. The present invention intends to create a white color having excellent color rendering properties by utilizing a two-step fluorescence phenomenon using an InGaN-based white light emitting element that emits ultraviolet light as a fundamental light source.
[0033]
Ultraviolet LED + 2 step fluorescence is the gist of the present invention. Two types of fluorescence (blue fluorescence and yellow fluorescence) are emitted outside without ultraviolet light. Fluorescence is advantageous in terms of color rendering properties because it originally has a wide spectral width. The present invention is the first to create white color by two-step fluorescence. It must be said that it is a truly excellent idea.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventor has studied fluorescent materials in order to solve the above problems. As a result, a ZnS crystal mixed with a group 3 element or a group 7 element is excited with ultraviolet light to emit blue light, and the blue light is used to excite ZnSe (or a ZnSSe mixed crystal) mixed with a group 3 or group 7 element. Thus, a white light emitting device was invented which generates yellow light and mixes blue light and yellow light.
[0035]
The present invention utilizes one LED light source and two types of fluorescence. The action of the element of the present invention can be abbreviated as follows when the conversion action of the fluorescent plate is expressed by
Figure 0003702863
[0036]
The first fluorescent material is ZnS, which is a semiconductor with a wide band gap, and the second fluorescent material is ZnS, which is a semiconductor with a narrower band gap. x Se 1-x (0 ≦ x <1).
[0037]
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the principle. From the bottom, the structure is composed of InGaN-LED / ZnS / ZnSSe. Two-stage fluorescence is shown in which ZnS is excited by ultraviolet light of an LED to generate blue light fluorescence, and ZnSSe is excited by blue light to generate yellow light fluorescence.
[0038]
FIG. 8 shows a structure composed of InGaN-LED / ZnS / ZnSe (ZnSSe) from the bottom, and schematically shows the emission wavelength region. InGaN LED ultraviolet light of 340 nm to 400 nm is converted into blue light centered on 480 nm with ZnS, and blue light is converted into yellow light centered on 585 nm with ZnSSe. 340 nm is the band gap of ZnS, which means that ZnS should be excited at a wavelength longer than that. 465 nm is the band gap wavelength of ZnSe, which means that ZnSe should be excited at higher wavelengths.
[0039]
[1. First fluorescent plate (ZnS)]
When any impurity of Al, In, Ga, Cl, Br, or I is added to the ZnS crystal, fluorescence is generated. It is considered that the fluorescence is lower than the bandgap energy and is generated by the transition of electrons between a donor formed below the conduction band and an acceptor formed above the valence band. It is believed that the above impurities will form such relatively deep donors and acceptors. If it is at a shallow level, it only gives conductivity, but since it is at a deep level, electrons and holes will exist stably and will be finally excited by light irradiation to cause donor-acceptor transition. Since there are many levels, there are a lot of fluorescence levels, which probably broadens the spectrum.
[0040]
Blue light (fluorescence) from ZnS is light having a central wavelength around 480 nm, but the wavelength spectrum has a wide wavelength distribution ranging from blue-green-yellow-green. This is because transitions between multiple levels are superimposed.
[0041]
ZnS is excited by ultraviolet light having a high energy of 400 nm or less and generates fluorescence having a center at 480 nm and spreading in blue, green, and yellowish green. The blue LED light with lower energy cannot extract fluorescence from ZnS. Therefore, the LED has an ultraviolet light of 400 nm or less. The lower limit (upper limit of energy) of the wavelength of the excitation light is 340 nm. The reason will be described in detail later.
[0042]
The definition of ultraviolet light, but some are strictly defined and some are not. There is also a definition that 13 nm to 393 nm is ultraviolet light. In that case, 7 nm of 393 nm to 400 nm in the wavelength band (340 nm to 400 nm) used as excitation light by the present invention should be said to be purple instead of ultraviolet light. However, since it is troublesome, in this specification, up to 400 nm may be expressed as ultraviolet light.
[0043]
[2. Second fluorescent screen (ZnS x Se 1-x ]]
ZnS x Se 1-x When an impurity of Al, In, Ga, Cl, Br, or I is added to a crystal (0 ≦ x <1; containing ZnSe), fluorescence is generated. It is considered that the fluorescence is lower than the bandgap energy and is generated by the transition of electrons between a donor formed below the conduction band and an acceptor formed above the valence band. It is believed that the above impurities will form such relatively deep donors and acceptors. If it is at a shallow level, it merely gives conductivity, but since it is at a deep level, electrons and holes will exist stably and will be finally excited by light irradiation to cause donor-acceptor transition. Since there are many levels, there are many levels of fluorescence, which broadens the spectrum. Such a thing is the same as that of ZnS of a 1st fluorescent material. However, since the band gap is narrower than that of ZnS, the energy of fluorescence is low (the wavelength is long).
[0044]
ZnSe (ZnSSe) as a fluorescent material is efficiently excited by light having a wavelength around 480 nm and emits yellow light having a central wavelength of 585 nm. The center wavelength is 585 nm, but actually spreads widely on both sides. The wavelength spectrum of ZnSe fluorescence has a wide wavelength distribution ranging from yellowish green to yellow to red.
[0045]
ZnSSe in which ZnS is mixed with ZnSe at a ratio x has a wider band gap than ZnSe. Therefore, the difference in height between donor and acceptor due to impurity doping is widened, and the fluorescence wavelength is shortened. In the case of ZnSSe, it is well excited by light shorter than 480 nm and generates fluorescence having a peak at a wavelength shorter than 585 nm. That is, the red component is weakened and the yellow component is increased. What is necessary is just to increase the mixed-crystal ratio x of sulfur S of a 2nd fluorescent screen from 0 with the target white spectrum.
[0046]
[3. Synthesis of two fluorescences]
When the blue light from ZnS of the first fluorescent plate and the yellow light from the second fluorescent plate ZnSe (or ZnSSe) are combined, the color becomes white with a wavelength spectrum covering the entire visible region. Since both are combined with fluorescence having a wide spectral width, white with high color rendering can be realized.
[0047]
Therefore, a certain restriction is imposed on the thickness F of the first fluorescent plate (ZnS) and the thickness H of the second fluorescent plate (ZnSSe).
[0048]
This is because the double condition that the ultraviolet light of the InGaN-LED is completely absorbed by the first fluorescent plate and that the blue light fluorescence is not completely absorbed by the second fluorescent plate is necessary.
[0049]
Although the light from the LED and the light from the first fluorescent plate have a two-dimensional spread, it is considered here as a one-dimensional problem simply. Let α be the absorption coefficient of the ultraviolet light of the LED at the ZnS first fluorescent plate. A coordinate z is considered in the vertical direction from the end of the ZnS phosphor plate to the inside. Assuming that the intensity at the start of the first fluorescent plate is 1, the intensity of the ultraviolet light at the z point inside the first fluorescent plate is expressed by exp (−αz). On the back side of the fluorescent plate (z = F), the ultraviolet intensity is exp (−αF).
[0050]
It is best that all ultraviolet light is absorbed and converted into blue light fluorescence. However, since the above value does not become 0, it is determined to be 0.1 or less or 0.01 or less at most. For example, if the UV intensity at the end of the first fluorescent plate should be 0.1 or less,
[0051]
exp (−αF) ≦ 0.1 (2)
[0052]
Thus, the thickness range of the first fluorescent screen is determined.
[0053]
F ≧ 2.3 / α (3)
[0054]
And if it should be less than 0.01
[0055]
F ≧ 4.6 / α (4)
[0056]
It becomes. As such, the lower limit of the thickness of the first fluorescent screen is determined, but the upper limit is not determined. If it is too thick, the cost will be high, so the upper limit should be determined from economics.
[0057]
The second fluorescent screen is slightly different. The absorption coefficient of the second fluorescent plate (ZnSSe or ZnSe) blue light fluorescence is β. The intensity of blue light fluorescence at the starting edge z = F of the second fluorescent plate is represented by B 0 Then, the intensity of blue light fluorescence at a point (F <z ≦ F + H) inside the fluorescent plate is B 0 It is expressed by exp (−β (z−F)). The conversion efficiency on the second fluorescent screen from blue light fluorescence to yellow light fluorescence is γ. Since the generation of yellow light is proportional to the intensity of blue light, the intensity Y (z) of yellow light fluorescence is
[0058]
dY = γB 0 exp (−β (z−F)) dz (5)
[0059]
It should satisfy the differential equation. This can be easily integrated
[0060]
Y = (γB 0 / Β) {1-exp (−β (z−F))} (6)
[0061]
It becomes. The intensity of blue light fluorescence B and yellow light fluorescence Y at the end z = F + H of the second phosphor plate (ZnSe or ZnSSe) is respectively
[0062]
B = B 0 exp (-βH) (7)
[0063]
Y = (γB 0 / Β) {1-exp (−βH)} (8)
[0064]
That is why. The white color of the present invention is synthesized by adding blue light fluorescence B and yellow light fluorescence Y at an appropriate ratio. The ratio is
[0065]
[Expression 2]
Figure 0003702863
[0066]
Given by.
[0067]
β and γ are parameters that can be changed by the impurity doping amount. H is the thickness of the second fluorescent screen. When it is desired to change the B / Y ratio (ratio of blue / yellow), it is effective to change the doping amount, but it is also possible to change the second fluorescent plate thickness H.
[0068]
In other words, if a desired B / Y ratio is given in advance and the conversion efficiencies β and γ are determined, equation (9) is a decision equation that determines the thickness H of the second fluorescent screen.
[0069]
[4. Water resistance problem]
As in the case of YAG, the fluorescent agent is made into a fine powder and dispersed thinly in a transparent medium so as to receive light as much as possible. That is normal usage. However, ZnS-based and ZnSe-based fluorescent agents lack water resistance. That is, when powdered, it absorbs water and deteriorates. The reason why ZnS and ZnSe have not been used as fluorescent agents so far is that there is a problem that even if it is understood that fluorescence is generated by addition of impurities, there is a problem that reliability is low and it is difficult to use as a fluorescent agent because of strong absorption.
[0070]
Therefore, ZnSe and ZnS have no track record as fluorescent agents such as YAG. However, if you think about it, the fluorescent agent must be made into a fine powder because it is opaque to light. Since opaque fluorescent material does not allow light to enter, it was necessary to make the powder as small in diameter as possible. When it is made into a fine powder, even if dispersed in plastic or glass, it easily absorbs water and deteriorates rapidly. For this reason, it has been said that fluorescent agents should not absorb water.
[0071]
[5. Lumped fluorescent screen]
Since the powder has a large effective surface area, water easily oozes out. If the surface area is small, water should be difficult to enter. In order to overcome the remarkable water absorption of ZnS and ZnSe, it is not necessary to use a fine powder, but on the contrary, it is necessary to use a polycrystal having a large particle size or a single crystal as a whole. Since water enters and penetrates from the grain boundary, water absorption should decrease if the particle size is large even if it is polycrystalline. A single crystal will reduce water absorption more. Even if water permeates from the surface, it takes time for the water to enter the interior, and if it is thick enough, it can no longer penetrate the interior.
[0072]
The present inventor has noticed that instead of using a powdery fluorescent agent, a fluorescent plate made of massive single crystal or polycrystalline ZnS (or ZnSe) may be used. If it does so, since the ratio of the surface area with respect to a fluorescent material volume becomes very small, water resistance improves markedly. If the fluorescent material is covered with plastic or glass, water should not easily penetrate.
[0073]
[6. Limitation of excitation light wavelength]
The reason why it is dispersed as a fine powder like conventional fluorescent materials is that it is opaque to excitation light and does not enter the interior. In the present invention, a bulky fluorescent material is used to overcome the absorption. If it is a lump, it must not be opaque to light. If it is opaque, excitation light does not enter the inside, and most of the fluorescent material is wasted. This means that the fluorescent material must be transparent to the excitation light. It becomes a new constraint.
[0074]
What should i do? Originally, ZnSe and ZnS are nearly transparent (slightly yellowish) to visible light, and are also transparent to some degree of ultraviolet light. However, ultraviolet light shorter than the absorption edge wavelength (band gap wavelength) of ZnS and ZnSe is immediately absorbed. It's a common property for everything. Therefore, the present invention limits the wavelength of excitation light from the fluorescent material. If the excitation light wavelength is Λr, it is longer than the band gap wavelength (absorption edge wavelength) λg of the fluorescent material.
[0075]
Λr> λg (10)
[0076]
It is. This determines the lower limit of the energy of the excitation light. As described above, the upper limit is determined in that it can be excited to generate fluorescence.
[0077]
In general, both fluorescent materials use excitation light having energy smaller than the forbidden band width (band gap) of the ZnS crystal or ZnSe crystal constituting the fluorescent plate.
[0078]
If it does so, the absorption coefficient of the fluorescent plate with respect to excitation light will become small, excitation light will approach into the inside of a fluorescent plate, and it will light-emit on the whole fluorescent plate. Therefore, the influence of the surface becomes small. It is a condition that has been imposed to overcome absorbency.
[0079]
The band gap Eg of ZnSSe at room temperature is
[0080]
Eg = 2.7 + 1.63x-0.63x 2 (EV) (11)
[0081]
Is approximated by The unit is eV. Absorption edge wavelength (band gap wavelength) λg (nm) is obtained by dividing 1239 by the band gap.
[0082]
λg (nm) = 1239 / Eg (12)
[0083]
The band gap Eg of ZnSe, ZnS, or ZnSSe can be found from the equation (11).
[0084]
[7. Limitation of wavelength of InGaN-LED]
Since the forbidden band width of the ZnS crystal is 3.7 eV at room temperature, the absorption edge wavelength is about 340 nm (referred to as λg1). It can be seen that the ZnS crystal may be excited at a wavelength longer than 340 nm in order to allow the excitation light to penetrate into the inside of the mass (limitation of Λr> λg1). This gives the lower limit of the excitation light wavelength. The upper limit is determined to be 400 nm or less under the condition that fluorescence is emitted from ZnS as described above. Therefore, the excitation wavelength Λr of the InGaN-LED that excites ZnS is
[0085]
340 nm ≦ Λr ≦ 400 nm (13)
[0086]
It turns out that. This includes ultraviolet (340 to 393 nm) and purple (394 to 400 nm), but is simply referred to as ultraviolet light. By increasing the Ga ratio of InGaN, ultraviolet light having such a short wavelength can be generated.
[0087]
[8. Limitation of wavelength of ZnS phosphor plate]
The blue light fluorescence wavelength is expressed by Λq. It is expressed by Λ because it is excitation light in the ZnSe fluorescent plate. What wavelength should the ZnSe phosphor plate emit? This is due to the material of the second fluorescent screen. Consider the case of using ZnSe as the second fluorescent material. The forbidden band width of the ZnSe crystal is 2.7 eV at room temperature, and the corresponding absorption edge wavelength is 460 nm (referred to as λg2). In order to satisfy the condition (Λq> λg2) that the excitation light enters inside, the ZnSe phosphor plate may be excited at a wavelength longer than 465 nm.
[0088]
The center wavelength of blue light emitted from the first ZnS phosphor plate is about 480 nm (Λq). This satisfies the requirement (Λq> λg2) that is longer than 465 nm (λg2). Even if it is the center of 480 nm, there is a spread, and the fluorescence generated by the first phosphor plate ZnS includes a wavelength component shorter than 465 nm, but it is small.
[0089]
In the first place, ZnSe is well excited by a blue color of about 480 nm and generates yellow fluorescence. Therefore, it is convenient that the fluorescence generated by ZnS is centered at 480 nm.
[0090]
When the second fluorescent plate is made of ZnSSe mixed crystal, the band gap wavelength (λg3) becomes shorter than 465 nm (λg2> λg3). Therefore, the blue light fluorescence of ZnS (480 nm center; Λq> λg2) still satisfies the condition of Λq> λg3 and can penetrate deeply into the second fluorescent plate. The mixed crystal second fluorescent plate also emits yellow fluorescence, but the center wavelength is shorter than 585 nm. This gives a greenish white.
[0091]
[9. Impurity concentration doped in fluorescent material]
In order for the ZnS crystal or ZnSe crystal to emit blue light or yellow light, it is necessary to dope (mix) any of Al, In, Ga, Cl, Br, and I. If the concentration is too small, it does not emit much light. At least 1x10 17 cm -3 It is necessary to mix impurities with the above concentrations. The conversion efficiency β increases in proportion to the impurity concentration. Impurity concentration is an important design parameter. These impurities can also be added intentionally. Otherwise, depending on the manufacturing method of ZnSe and ZnS, any impurity may be contained in the manufacturing process at a concentration higher than the above-described concentration. In that case, it is not necessary to intentionally add the impurities.
[0092]
[10. Heat treatment of fluorescent screen]
It has been explained that ZnSe crystals, ZnSSe crystals, and ZnS crystals are better because the larger grain boundaries do not absorb water. It is even better if the average particle size is greater than the thickness of the fluorescent screen. A single crystal is more preferable because there is no grain boundary. It is a crystalline embodiment. These polycrystals and single crystals can be produced by the iodine transport method, but the quality is poor as it is with many defects. Therefore, the ZnSe crystal, ZnSSe crystal, and ZnS crystal are heat-treated at a high temperature of about 1000 ° C. in a Zn atmosphere to reduce crystal defects. By doing so, fluorescence can be enhanced. Non-emission loss can also be suppressed.
[0093]
[11. Mirror polishing of fluorescent screen]
The surface of the ZnS phosphor plate or ZnSe phosphor plate on which excitation light is incident is preferably mirror-polished in order to increase the incidence efficiency. In addition, it is more preferable to form an antireflection film. The other surface of the fluorescent plate is not necessarily mirror-polished, but may be mirror-polished according to processing needs.
It is also useful to perform surface processing to increase the emission efficiency of blue light and yellow light generated in the fluorescent screen.
[0094]
【Example】
[Example 1 (FIG. 1)]
FIG. 1 is a sectional view of a white light emitting device according to an embodiment of the present invention. There are two leads combining the Γ-type lead 30 and the L-type lead 32. A narrow through hole 33 is formed in the wall surface of the Γ-type lead 30 for combination. The L-shaped lead 32 is combined in such a way that the tip of the L-shaped lead 32 is inserted into the through hole. The Γ-type lead 30 has a wide recess 34 that opens upward. An ultraviolet LED 35 having an InGaN layer formed on a sapphire substrate is mounted on the bottom of the recess 34 with the electrodes 36 and 37 facing down. Therefore, the sapphire / InGaN-LED 35 has a sapphire substrate on top and an epitaxial layer on the bottom. The two electrodes 36 and 37 are also facing downward. One electrode 36 is joined to the Γ-type lead 30. The other electrode 37 is joined to the other L-shaped lead 32. Since the InGaN-LED 35 is attached so as to be reversed, no wire is required. However, the present invention is not limited to this, and the electrode and the lead may be connected with two wires attached with the sapphire substrate facing downward and the electrode facing upward (as shown in FIG. 3). The connection form of electrodes and leads is free.
[0095]
A first fluorescent plate 38 made of ZnS is placed immediately above the InGaN-LED 35. It is the 1st fluorescent plate 38 for converting the ultraviolet light of InGaN-LED into blue light. A ZnSe second fluorescent plate 39 is mounted on the first fluorescent plate 38. The second fluorescent plate is for converting blue light into yellow light fluorescence. In this example, the ZnSe second fluorescent plate 39 is a little narrow, but the blue light is directly emitted upward from the outside thereof. The concave portion 34 is filled with a transparent resin 40 in which a diffusing agent is dispersed so as to cover the second fluorescent plate 39 / first fluorescent plate 38 / LED 35. Blue fluorescent light is generated by the first fluorescent plate and yellow fluorescent light is generated by the second fluorescent plate, which is emitted upward. The light is scattered by the diffusing agent, and blue light and yellow light are mixed appropriately, and it looks white when viewed from above.
[0096]
Next, a method for manufacturing such a white light emitting element will be described. A ZnS single crystal and a ZnSe single crystal were produced by a chemical transport method (CVT) using iodine as a transport medium. The chemical transport method is a method in which ZnS and ZnSe polycrystals placed under a container are heated in an iodine atmosphere to produce Se and ZnI. 2 Or S and ZnI 2 Is evaporated and solidified on a lower temperature seed crystal placed on the top to grow a single crystal. FIG. 5 shows the chemical transport method.
[0097]
A ZnSe (or ZnS) polycrystal 87 is placed below the reaction furnace 86. A ZnSe (or ZnS) seed crystal 89 is attached above the reaction furnace 86 via a susceptor 88. The atmosphere of the reaction furnace 86 is iodine. The lower part with the polycrystal 87 is set to the high temperature T1, and the upper part with the seed crystal 89 is set to the low temperature T2. On the high temperature (T1) side
[0098]
2ZnSe + 2I 2 → 2ZnI 2 + Se 2 (14)
[0099]
This happens. ZnI 2 , Se 2 Rises by diffusion and reaches the seed crystal 89 on the ceiling. Since this is a low temperature T2, the opposite reaction occurs,
[0100]
2ZnI 2 + Se 2 → 2ZnSe + 2I 2 (15)
[0101]
It becomes. The generated ZnSe is deposited on the lower surface of the seed crystal 89. Iodine I, which is a gas 2 Returns downward by diffusion and contacts the ZnSe polycrystal 87 again to cause the reaction of the formula (14). Single crystal ZnSe can be grown by such repetition. This method can also be used for ZnS or ZnSSe mixed crystals. The growth rate is about 1 mm / day.
[0102]
A ZnS crystal substrate having a thickness of 300 μm and a plane orientation (100) cut out from the obtained ZnS single crystal was heat-treated at 1000 ° C. in a Zn atmosphere.
[0103]
Heat treatment in Zn is performed to reduce crystal defects. Any of ZnSe, ZnS, and ZnSSe can be performed in the same apparatus. FIG. 6 shows the heat treatment chamber 90. A ZnSe single crystal substrate 89 is placed therein and heat-treated in a Zn atmosphere at 1000 ° C. for 50 hours. Thereafter, the temperature is lowered at a rate of −60 ° C./min to reach room temperature. In the case of ZnS, heat treatment is performed at a slightly higher temperature. The method and effect are almost the same.
[0104]
Both surfaces of the ZnS crystal substrate were mirror-polished and then scribe-breaked to produce a 400 μm square ZnS phosphor plate 38 having a thickness of 200 μm.
[0105]
Similarly, a ZnSe substrate having a thickness of 200 μm and a plane orientation (100) cut out from a ZnSe single crystal was heat-treated at a Zn atmosphere of 1000 ° C. After polishing this ZnSe substrate by double-sided mirror polishing, a scribe break was performed to prepare a ZnSe phosphor plate 39 having a 300 μm square and a thickness of 100 μm.
[0106]
A blue LED chip 35 having an emission wavelength of 380 nm and having an InGaN active layer using a sapphire substrate was prepared. The LED chip 35 was mounted in a flip chip type as shown in FIG. 1, and a ZnS phosphor plate 38 was attached to the upper side of the LED (upper side of the sapphire substrate) via a transparent resin.
[0107]
Further, a ZnSe fluorescent plate 39 was pasted on the ZnS fluorescent plate 38 via a transparent resin. The entire LED chip 35, ZnS phosphor plate 38, and ZnSe phosphor plate 39 are covered with a transparent resin 40 in which a diffusing agent (SiC powder) is dispersed, and the whole is resin-molded with a transparent resin to produce a bullet-type white light emitting device. did. When the white light emitting element was energized to emit light, white having a color temperature of 5000K could be obtained. This means that white having a low color temperature can be generated.
[0108]
The spectrum was examined by spectroscopy. The emission spectrum is shown in FIG. The horizontal axis represents wavelength (nm), and the vertical axis represents relative emission intensity. The emission intensity rises from 400 nm and has a high distribution between 450 nm and 490 nm. That is the distribution of fluorescence by the first phosphor plate ZnS. The fluorescence of ZnS extends from blue light to green.
[0109]
On the longer wavelength side, there is a gentle peak centered at 585 nm and extending from 530 nm to 650 nm. It is a spectrum of fluorescence by the second fluorescent material ZnSe. This is mainly yellow, but there is a spread in red and green. Light emission from both fluorescent plates overlaps each other, and light emission over the entire visible region is obtained. The intensity of blue light of 450 nm to 480 nm is 1, and green of 495 nm to 520 nm is slightly weak, but still has an intensity of 0.78 or more. Therefore, an ideal white spectrum extending from 440 nm to 650 nm is given. The average color rendering evaluation coefficient was 89. It has been found that the color rendering property is as high as that of a three-wavelength fluorescent lamp.
[0110]
【The invention's effect】
In the production of a white light emitting device using an ultraviolet light emitting LED, a white light emitting device having high color rendering properties can be produced. White color that can be used for lighting due to good color rendering. One element is insufficient as illumination, but a sufficient amount of light can be produced by arranging a number of white light emitting elements of the present invention in a matrix. Since the pn junction of the sapphire substrate InGaN-LED with proven results emits light, it has a long lifetime. The fluorescent material uses water-absorbing ZnSe, ZnS, and ZnSSe, but it is a lump that prevents water from entering the interior. Therefore, the fluorescent screen also has a long life. In that respect, it is superior to incandescent bulbs and fluorescent lamps.
[0111]
Although it uses a two-stage fluorescence phenomenon, the excitation light has an energy lower than the band gap of the fluorescent plate, so that it penetrates into the fluorescent plate and generates fluorescence. Since the wavelength can reach the inside, a part of the wavelength can be transmitted through the fluorescent screen. Therefore, it is possible to emit the sum of both fluorescences in a two-stage fluorescence. One element is light and small because it can be made the same shape as a light emitting diode.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 A UV light emitting InGaN-LED, a ZnS first fluorescent plate, and a ZnSe second fluorescent plate are stacked in a concave portion of a Γ type lead formed by combining a Γ type lead and an L type lead, and the upper part is made of a transparent resin in which a diffusing agent is dispersed. The longitudinal cross-sectional view of the bullet-type white light emitting element concerning the Example of this invention which molded the whole cover with transparent resin.
FIG. 2 is an emission spectrum diagram of a white light emitting device according to an embodiment of the present invention, in which an ultraviolet light emitting InGaN-LED, a ZnS first fluorescent plate, and a ZnSe second fluorescent plate are stacked. The horizontal axis represents wavelength (nm), and the vertical axis represents relative emission intensity.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a YAG / InGaN white light-emitting element proposed by (1) “Optical Functional Material Manual” edited by the Executive Committee for Optical Functional Material Manual, published by Optoelectronics, p457, June 1997.
(2) A ZnCdSe epitaxial light-emitting layer is provided on an impurity-doped ZnSe substrate first proposed by Japanese Patent Application No. 10-316169 “White LED”, and the blue light emission of ZnCdSe is changed to yellow light fluorescence on the ZnSe substrate. The schematic structure figure of the ZnCdSe / ZnSe white light emitting element which synthesize | combined blue light and yellow light and was made to obtain white.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a chemical transport method for producing a ZnSe single crystal from ZnSe polycrystal.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a state in which a ZnSe single crystal is heat-treated in a Zn atmosphere in a heat treatment chamber.
FIG. 7 shows a white light emitting device of the present invention composed of ZnSSe / ZnS / InGaN-LED, in which ultraviolet light of InGaN-LED is converted into blue light fluorescence by a ZnS phosphor plate, and a part of blue light is converted into yellow by a ZnSSe phosphor plate. Explanatory drawing which shows the principle of this invention which converts it into photofluorescence and makes white by synthesize | combining blue light and yellow light.
8 shows a white light emitting device according to an embodiment of the present invention composed of ZnSe / ZnS / InGaN-LEDs, which excites a ZnS phosphor plate with ultraviolet light of InGaN-LEDs having a wavelength of 340 nm to 400 nm to emit blue light fluorescence having a central wavelength of 480 nm. FIG. The blue light fluorescence excites the ZnSe phosphor plate to generate yellow light fluorescence with a central wavelength of 585 nm, and the blue light fluorescence with a central wavelength of 480 nm and the yellow light fluorescence with a central wavelength of 585 nm are combined to make white. Illustration to explain.
[Explanation of symbols]
2 Γ type lead
3 recess
4 Blue light InGaN-LED
5 Transparent resin with dispersed fluorescent agent
6 electrodes
7 electrodes
8 wires
9 wire
10 Type I lead
20 Transparent resin
22 Impurity doped ZnSe substrate
23 ZnCdSe light emitting layer
30 Γ type lead
32 L-type lead
33 through holes
34 recess
35 UV InGaN-LED
36 electrodes
37 electrodes
38 ZnS first phosphor screen
39 ZnSe second fluorescent screen
40 Transparent resin with diffusing agent dispersed
42 Transparent mold resin
86 reactor
87 ZnSe (ZnS) polycrystal
88 Susceptor
89 ZnSe (ZnS) seed crystal
90 Heat treatment room

Claims (5)

340nm〜400nmの紫外光を発光するInGaN−LEDと、Al、In、Ga、Cl、Br、Iのうち少なくとも一つの元素を不純物として1×1017cm−3以上の濃度で含みInGaN−LEDからの紫外光を480nm中心で400nm〜490nmに広がりをもつ青色光に変換する塊状であって平均粒径が厚みよりも大きい多結晶であるか単結晶であるZnS結晶からなる第1の蛍光板と、Al、In、Ga、Cl、Br、Iのうち少なくとも一つの元素を不純物として1×1017cm−3以上の濃度で含み前記青色光の一部を585nm中心の黄色光に変換する塊状のZnSe結晶もしくはZnSSe結晶からなる第2の蛍光板とよりなり、大気中で使用でき、ZnS結晶より出る蛍光の青色光とZnSe/ZnSSe結晶より出る蛍光の黄色光を混ぜ合わせることによって白色を合成する事を特徴とする白色発光素子。From an InGaN-LED that emits ultraviolet light of 340 nm to 400 nm and an InGaN-LED that contains at least one element of Al, In, Ga, Cl, Br, and I as an impurity at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. A first fluorescent plate made of ZnS crystal that is a polycrystal or a single crystal that is a lump that has an average particle diameter larger than the thickness, and is a lump that converts the ultraviolet light into blue light that spreads from 400 nm to 490 nm at the center of 480 nm , Agglomerated ZnSe that contains at least one element of Al, In, Ga, Cl, Br, I as an impurity at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and converts part of the blue light into yellow light centered at 585 nm. becomes more and second fluorescent plate made of crystalline or ZnSSe crystal, can be used in air, the blue light of the fluorescent leaving from ZnS crystals and ZnSe / Zn White light emitting device, characterized in that synthesizing white by mixing yellow light fluorescence emitted from Se crystals. 第2の蛍光板を構成するZnSe結晶もしくはZnSSe結晶の平均粒径を蛍光板の厚みより大きくすることを特徴とする請求項1に記載の白色発光素子。  2. The white light emitting device according to claim 1, wherein an average particle diameter of a ZnSe crystal or a ZnSSe crystal constituting the second fluorescent plate is made larger than a thickness of the fluorescent plate. 第2の蛍光板であるZnSe蛍光板もしくはZnSSe蛍光板を単結晶ZnSeもしくは単結晶ZnSSeによって構成する事を特徴とする請求項1又は2に記載の白色発光素子。  3. The white light emitting element according to claim 1, wherein the second phosphor plate, the ZnSe phosphor plate or the ZnSSe phosphor plate, is composed of single crystal ZnSe or single crystal ZnSSe. 4. Zn雰囲気中で熱処理をしたZnS結晶を第1の蛍光板として使用する事を特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の白色発光素子。  The white light-emitting element according to claim 1, wherein a ZnS crystal that has been heat-treated in a Zn atmosphere is used as the first fluorescent plate. Zn雰囲気中で熱処理をしたZnSe結晶もしくはZnSSe結晶を第2の蛍光板として使用する事を特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の白色発光素子。  The white light-emitting element according to claim 1, wherein a ZnSe crystal or a ZnSSe crystal that has been heat-treated in a Zn atmosphere is used as the second fluorescent plate.
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