JP3946541B2 - 発光装置およびそれを用いた照明装置、ならびに該発光装置の製造方法と設計方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、該ＬＥＤから発せられる光で励起されて蛍光を発する蛍光体との組合せで構成され、出力光として可視光を発する発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
種々の波長の光を発する光源を集めて配列し、カラー画像表示装置、電飾、信号灯、照明装置などを構成することが従来行われている。
該光源としては、ＬＥＤや半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子（以下、単に発光素子ともいう）を単独で用いたものや、発光素子と蛍光体とを組合せたものが用いられている。該蛍光体は、発光素子からの光で励起され、種々の波長の蛍光を発するように選択されている。
【０００３】
上記光源のなかでも、ＬＥＤと蛍光体とを組合せたもの、特に白色光を出力するよう構成された所謂白色ＬＥＤは、照明器具としては重要である。従来の白色ＬＥＤとしては、先ず、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせたものが挙げられる。この白色ＬＥＤの構成は、黄色蛍光体（青色光で励起され黄色光を発する蛍光体）を分散させた第１の樹脂によって青色ＬＥＤチップを覆い、さらにそれを第２の透明樹脂で砲弾型などにモールドしたものである。このような構成によって、蛍光体に吸収されず第１および第２の樹脂領域を通過する青色光と、その補色関係にある蛍光体からの黄色光とが混ざり合い、白色光が出力されているように見える。ただし、このような白色光は、光の３原色を完全には含んでいないために色純度も演色性も悪い。
【０００４】
これに対して、紫色から近紫外の発光をするＬＥＤ光源と、白色蛍光体とを組み合わせ、色純度も演色性も良好な白色光を発生させる試みもなされている。白色蛍光体は、ＬＥＤ光源からの主発光に励起されて３原色（赤色、緑色、青色の３波長）の蛍光を発する蛍光体成分を含むものである。３原色光の混合による白色光は、演色性が高く、好ましい照明用光源となり得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた従来の発光装置を本発明者等が詳細に検討したところ、いずれの装置も、ＬＥＤへの通電量を増大させると色調（色バランス）が大きく変化するものであることが分った。
【０００６】
例えば、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組合せた白色発光可能な装置（所謂、白色ＬＥＤ）の場合、白色光に含まれる黄色光（青色光が蛍光体で変換されたもの）と、青色光（蛍光体を透過したもの）との割合が、青色ＬＥＤの発光出力に大きく依存して変化する。しかも、その青色ＬＥＤの発光出力は、注入電流の増加に伴い外部量子効率が低下するために、注入電流に比例して増加せず、従来の定格電流（例えば、３５０μｍ×３５０μｍのＬＥＤチップでは通常２０ｍＡとされる）を越えた辺りから飽和傾向を示す。該定格電流近傍の通電でもＬＥＤチップの温度上昇が起こっており、第一には蛍光体の温度上昇により変換効率が低下する、第二には青色発光波長が長波長シフトし、蛍光体の励起効率が変化するといった現象が起こっている。該定格電流を越えた電流を流すと、この傾向は一層強くなり、このような白色ＬＥＤでは、青色ＬＥＤへの注入電流の増加に伴って、色調が変化する。
【０００７】
また、紫色〜近紫外ＬＥＤと白色蛍光体とを組合せた白色ＬＥＤの場合、赤色光、緑色光、青色光の蛍光だけによって白色を構成しており、ＬＥＤ光源の光を直接には出力させないので、上記白色ＬＥＤで述べたようなＬＥＤ発光と蛍光体発光との色バランスが崩れることによる色調の変化は抑えることができる。しかし、従来の出力の低い近紫外ＬＥＤや、変換効率の低い蛍光体を使っている場合には、通電によるＬＥＤ光源の温度上昇の影響で、下記の現象が生じ、やはり色調が変化する。
第一に、ＬＥＤ光源−の温度上昇のために該光源の発光波長が変化し、これによって各色の蛍光体毎の変換効率も独自に変化し、結果、色調が変化する。
第二に、ＬＥＤ光源の温度上昇のために蛍光体の温度が変化し、これによって各色の蛍光体の変換効率も独自に変化し、結果、色調が変化する。
【０００８】
上記のような色調変化の問題は、ＬＥＤと蛍光体とを組み合わせた発光装置のみならず、ＬＤと蛍光体とを組み合わせた発光装置においても同様に発生する問題である。従って、本発明の課題は、上記問題を改善し、発光素子と蛍光体とを組合わせて可視光を出力するよう構成された発光装置を改善し、色調の変化が抑制された該発光装置、およびそれを用いた照明装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置であって、
前記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードであり、
前記蛍光体は、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むものであり、
該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内であることを特徴とする発光装置。
（２）上記ＧａＮ系発光ダイオードが、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものであって、該発光部の構造は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造であり、発光ピーク波長は４３０ｎｍ以下であり、ベアチップ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ²）の駆動電流を注入した時に５％以上の外部量子効率を有するものである、上記（１）に記載の発光装置。
（３）上記ＧａＮ系発光ダイオードが、主発光と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセンス光を発するように構成されており、該フォトルミネッセンス光が上記蛍光と共に出力されるものである、上記（１）又は（２）に記載の発光装置。
（４）上記蛍光体を分散した樹脂が、上記ＧａＮ系発光ダイオードを覆うように塗布されてなる、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の発光装置。
（５）ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置であって、
前記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ、全発光エネルギーの外部量子効率が１０％以上のＧａＮ系半導体レーザであり、
前記蛍光体は、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むものであり、
該半導体レーザのレーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内であることを特徴とする発光装置。
（６）上記ＧａＮ系発光素子の発光部が、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０＜Ａ≦１）井戸層とＧａＮ系障壁層とからなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長が３６０ｎｍ〜４３０ｎｍとなるようにＩｎ_AＧａ_1-AＮ井戸層の組成比Ａが決定されている、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の発光装置。
（７）上記ＧａＮ系発光素子の素子構造が、表面に凹凸が加工された結晶基板上に、ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはファセット成長しており、該ＧａＮ系結晶の上に発光部が形成された構造を有するものである、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の発光装置。
（８）上記蛍光が、上記発光素子から発せられる光の波長から波長８００ｎｍまでの波長範囲内に、発光強度のピークを１つ以上有する光である、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の発光装置。
（９）上記蛍光が、赤色光、緑色光、青色光からなる３原色光を含んでなる白色光である、上記（８）に記載の発光装置。
（１０）上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の発光装置。
（１１）上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であって、
前記赤色蛍光体が、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含むものであり、
前記緑色蛍光体が、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.6）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.6）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（１≧a＞0.6）〕、及び〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含むものである、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の発光装置。
（１２）上記蛍光体が、シリコン系樹脂に分散されている、上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の発光装置。
（１３）上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の発光装置が複数集合した構成を有する照明装置。
（１４）発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードを、該発光ダイオードに注入される駆動電流量が単位発光面積当たり７０．０（Ａ／ｃｍ²）以下のときに、通電量に比例した発光出力が得られるように実装した後、
上記実装したＧａＮ系発光ダイオードに、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含みかつ該発光ダイオードから発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体を組合わせて、
該蛍光体が発する蛍光を出力光とし、かつ、該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときの、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内である発光装置を得る、
発光装置の製造方法。
（１５）ＧａＮ系発光ダイオードに蛍光体を組合わせるにあたり、ＧａＮ系発光ダイオードを覆うように、蛍光体を分散した樹脂を塗布する、上記（１４）に記載の製造方法。
（１６）発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードと、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含みかつ該発光ダイオードから発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置を設計する方法であって、
該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内となる条件を満たすように、ＧａＮ系発光ダイオードと蛍光体とを選択し組合わせることを特徴とする、発光装置の設計方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明による発光装置は、発光素子と蛍光体とを含んで構成されるが、以下の説明では、ＧａＮ系ＬＥＤを発光素子の例とし、本発明を具体的に説明する。
図１の構成例では、ＧａＮ系ＬＥＤ１と、蛍光体２とを組み合わせて当該発光装置を構成している。蛍光体２は、ＧａＮ系ＬＥＤ１から発せられる光Ｌ１で励起され、蛍光（可視光）Ｌ２を発するように形成されており、該蛍光Ｌ２が当該発光装置の出力光となっている。
【００２０】
本発明でいうＧａＮ系とは、Ｉｎ_AＧａ_BＡｌ_CＮ（０≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦１、０≦Ｃ≦１、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）で示される化合物半導体であって、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な化合物として挙げられる。
【００２１】
ＧａＮ系ＬＥＤを用いて構成する場合の当該発光装置の重要な特徴は、図２のｘ−ｙ色度図に示すように、該ＧａＮ系ＬＥＤに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１Ａ／ｃｍ²から７０Ａ／ｃｍ²まで変化させたときに、出力光の色度の変化量（該ｘ−ｙ色度図上における点ｍ１から点ｍ２までの変化量Δｍ）が０．０５以内、より好ましくは０．０３以内となるように構成されていることである。
この条件を満たすようにＧａＮ系ＬＥＤと蛍光体とを選択し組み合わせることによって、駆動電流を増加させても、色調の変化が抑制される。
【００２２】
ここで、上記変化量Δｍは、点ｍ１の座標を（ｘ１，ｙ１）、点ｍ２の座標を（ｘ２，ｙ２）として、（ｘ２−ｘ１）²＋（ｙ２−ｙ１）²の平方根によって与えられる。
また、本発明で用いるｘ−ｙ色度図は、ＣＩＥ１９３１ｘｙｚ表色系（ＪＩＳＺ８７０１）で規定されるものである。
【００２３】
従来の発光装置に上記と同じ駆動電流量の変化を与えた場合、出力光の色度の変化量は、本発明が規定する上記値０．０５を上回る。例えば、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とによって構成された発光装置では０．０５４であり、紫外ＬＥＤと白色蛍光体を用いた従来品でも０．０５２となっており、色度の変化についての規定は考慮されていない。
【００２４】
上記色度の変化量を評価するためにＬＥＤに注入される駆動電流量は、ＬＥＤの形状寸法などに依って異なることのないよう、〔単位発光面積当たりの電流量Ａ／ｃｍ²）にて規定する。
発光面積とは、発光層の横方向の実効的な総面積を意味するが、近似的には、ｐ電極がｐ層のほぼ前面を覆っている場合にはｐ層の面積で代用しても良い。また、ｐ電極がｐ層の一部分しか覆ってない場合には、実質的には電極直下しか発光しないために、電極面積を発光面積として代用してもよい。
例えば、図３に示すような、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系発光ダイオードの素子構造において、素子外形を（３５０μｍ×３５０μｍ）〜（５ｍｍ×５ｍｍ）程度の方形とした場合、発光面積は、ｎ型電極形成のためのエッチングによって減少し７×１０^-4ｃｍ²〜０．２４ｃｍ²程度となる。この中から、例えば、発光面積７．２×１０^-4ｃｍ²のものを用いた場合、上記色度の変化量を評価するために注入される駆動電流量の変化は、０．０７２ｍＡから５０ｍＡまでとなる。
【００２５】
上記色度の変化量を評価するための他の測定条件としては、周囲の温度として〔１５〜３５℃〕、実装状態として〔発光効率を高めるためにはフリップチップ実装が好ましいが、標準的にはＧａＮ系発光層を上側とする所謂ｐサイドアップのダイボンディング〕、封止（第二のモールド樹脂）材料として〔エポキシ系樹脂〕、蛍光体の塗布方法として〔適正な配合比率で混合した蛍光体を含んだシリコン樹脂によって、実装した発光素子をコーティング（モールド）する〕、などが挙げられる。
【００２６】
上記色度の変化量条件を達成するためには、用いられるＧａＮ系ＬＥＤ、蛍光体、およびそれらの組み合わせ方が重要である。
先ず、ＧａＮ系ＬＥＤについては、発光ピーク波長、発光出力、外部量子効率について、それぞれ以下のような制限が必要である。
【００２７】
該ＧａＮ系ＬＥＤの発光ピーク波長は、蛍光体の励起効率、延いては蛍光体の励起光から蛍光への変換効率と関係する重要な要素であり、４５０ｎｍ以下が好ましく、３６０ｎｍ〜４３０ｎｍがより好ましい。また、特に好ましい発光ピーク波長の例として、３８０ｎｍが挙げられる。これは、ＩｎＧａＮを発光層に用いたＬＥＤにおいて、発光効率が高く、かつ一般的に蛍光体の励起効率が高い波長域からである。
【００２８】
該ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力（ピーク波長について測定される値）、外部量子効率は、通電に伴うＬＥＤの温度上昇を抑制する上で重要な要素である。通電によって注入された電力は、最終的に光に変換されるか、熱に変換される。従って、外部量子効率が低い素子ほど熱に変換される割合が大きく、素子の温度上昇が大きくなり、蛍光体の変換効率を低下させたり、発光素子および蛍光体の劣化の原因となる。
【００２９】
該ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力は、ベアチップ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ²）の駆動電流を注入した時に、５％以上の外部量子効率を有するものが好ましく、７％以上がより好ましい。
色度の変化量の評価で述べたと同様に、該発光出力は、周囲温度１５℃から３５℃の測定環境で、所謂ｐサイドアップで基板側を下に、銀ペーストあるいは共晶系の合金を接合用金属材料として用い、例えばＴＯ１８缶として知られている金属ステムに実装して被験サンプルとし、これをそのまま積分球の中に挿入し、全発光強度を計測する標準的な計測システムにて全発光出力として測定する。
【００３０】
この全発光出力から下記の計算式により外部量子効率は計測できる。素子の形状、実装方式によって発光出力は大きく異なるが、ここでは上記の評価方法を標準のベアチップ状態での測定方法とする。
外部量子効率η_eは、η_e＝Ｐ_O／（Ｉ_F・Ｅ_g）によって算出される。
Ｐ_O〔Ｗ〕は全発光出力、Ｉ_F〔Ａ〕は通電量である。Ｅ_g〔ｅＶ〕は発光ピーク波長λ_p〔μｍ〕をエネルギー値に換算した値であり、Ｅ_g＝１．２３９８／λ_pで算出される。
【００３１】
本発明では、ＧａＮ系ＬＥＤの外部量子効率として、５％以上、特に好ましい値として７％以上を推奨する。
例えば、図３に示す素子構造において、素子外形を（３５０μｍ×３５０μｍ）〜（５ｍｍ×５ｍｍ）程度の方形とした場合、発光面積は７×１０^-4ｃｍ²〜０．２４ｃｍ²程度となる。この中から、例えば、発光面積７．２×１０^-4ｃｍ²、発光ピーク波長３８０ｎｍのＬＥＤ素子を用いた場合では、２０ｍＡ通電時に３．３ｍＷ（外部量子効率５％）以上の発光出力であることが好ましく、４．６ｍＷ（外部量子効率７％）以上がより好ましい。
【００３２】
ＧａＮ系ＬＥＤの発光出力、外部量子効率を上記のように限定することによって、従来の発光装置よりも、ＬＥＤの温度上昇が抑制される。そのために、該ＬＥＤ自体の発光波長の変化も抑制されて、波長面での各蛍光体の変換効率の変化も少なくなる。また、それと同時に、加熱による蛍光体の温度上昇が軽減されて、各蛍光体の変換効率の変化も少なくなる。これらが、色調変化の抑制に寄与する。
【００３３】
上記の発光ピーク波長、発光出力、外部量子効率の条件を満たすＧａＮ系ＬＥＤとしては、図３に示すように、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部１３を有するものが挙げられる。
発光部は、例えば（ｎ型クラッド層／量子井戸構造／ｐ型クラッド層）など、電流注入によって光を発生し得るようにｐ型層とｎ型層とを有して構成され、発光に係る層（発光層）を持つ。発光層は、量子井戸構造における井戸層である。好ましい発光部の構造としては、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、またはダブルヘテロ（ＤＨ）構造が挙げられ、なかでもＭＱＷ構造が、高出力、高効率の点で特に好ましい。
【００３４】
図３（ａ）に示す素子構造例では、サファイア基板１０上に、ＧａＮ系低温成長バッファ層１０ｂを介して、順に、ｎ型コンタクト層１１、発光部１３（ｎ型クラッド層１２／ＭＱＷ／ｐ型クラッド層１４）、ｐ型コンタクト層１５が気相成長によって積層され、各コンタクト層に、ｎ−電極Ｐ１、ｐ−電極Ｐ２が設けられている。
また、図３（ｂ）では、さらに、サファイア基板の上面に、後述のＬＥＰＳ法を実施するための凹凸Ｓが加えられている。
【００３５】
発光層の材料として用いるＩｎＧａＮ系とは、上記したＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成を必須に含む化合物半導体であって、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０＜Ａ＜１）で示されるものの他、これにさらにＡｌ組成が加えられたものであってもよい。Ｉｎ_AＧａ_1-AＮの組成は、上記発光ピーク波長が得られるように決定すればよいが、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０．００５≦Ａ≦０．２２、このときの発光波長３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ）は、出力が大きく好ましい材料である。
【００３６】
以上のことから、発光ピーク波長が３６０ｎｍ〜４３０ｎｍとなるように決定されたＩｎ_AＧａ_1-AＮを井戸層とするＭＱＷ構造のＬＥＤ（ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤ）が、当該発光装置には最も好ましいＬＥＤである。さらに、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮを井戸層とするＭＱＷ構造のなかでも、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造は、高出力、高効率が得られる構造である。
【００３７】
当該発光装置の出力光には、色調の変化を抑制するために、蛍光体からの蛍光を用いることが基本である。しかし、ＧａＮ系ＬＥＤから主発光以外にフォトルミネッセンス光（ＰＬ光）をも発する構成とし、そのＰＬ光を上記蛍光と共に出力させて、蛍光のバランスを補正してもよい。そのようなＰＬ光を発生させるには、ＧａＮ系ＬＥＤの素子構造内に、主発光を受けて目的のＰＬ光を発するように組成を決定したＧａＮ系結晶層を加えればよい。
【００３８】
本発明による発光装置は、ＧａＮ系発光素子としてＧａＮ系ＬＤを用いることも可能である。その場合は、該ＬＤの条件として、発光ピーク波長３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ、外部量子効率１０％以上のものを用いる。また、ＬＤを用いる場合には、該ＬＤのレーザ出力を、発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内となるものが本発明による発光装置である。
【００３９】
ＧａＮ発光素子を形成するためのＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。
【００４０】
ＧａＮ系発光素子の素子構造のべースとして用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００４１】
結晶基板上にＧａＮ系結晶層からなる素子構造を成長させるに際しては、必要に応じてバッファ層を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどによるＧａＮ系低温成長バッファ層が挙げられる。
【００４２】
ＧａＮ系発光素子のさらなる高出力化・高効率化のために、結晶基板上に成長するＧａＮ系結晶層の転位密度を低減させる構造を適宜導入してよい。転位密度低減のための構造としては、例えば次のものが挙げられる。
（い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得るように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ₂などが用いられる）をストライプパターンなどとして形成した構造。
（ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せてよい。
【００４３】
上記転位密度低減のための構造のなかでも、上記（ろ）は、マスク層を用いない好ましい構造であって、ＧａＮ系ＬＥＤのさらなる高出力化・高効率化に寄与し、より好ましい発光装置を得ることができる。以下、上記（ろ）の転位密度低減化構造について説明する。
【００４４】
結晶基板に対する凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。
【００４５】
凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。
【００４６】
これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
【００４７】
ストライプの長手方向を、これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向とした場合、図４（ａ）に示すように、凸部の上部から成長を開始したＧａＮ系結晶１１ａは、横方向に高速成長し、図４（ｂ）に示すように、凹部を空洞として残した状態でＧａＮ系結晶層１１ｂとなりやすい。このような〈１−１００〉方向の凹凸を用いた手法は、ＬＥＰＳ法（Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate）とも呼ばれる。ただし、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により、下記の〈１１−２０〉方向の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
一方、ストライプの長手方向を、成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くなり、図５（ａ）に示すように、先ず、断面三角形を呈した稜線状の結晶１１ａに成長し、図５（ｂ）に示すように、凹部に空洞を残さずＧａＮ系結晶層１１ｂとなりやすい。この結果、基板側からＣ軸方向に伝搬した転位がこのファセット面で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなり、低転位密度領域を形成できる点で特に好ましい。このような〈１１−２０〉方向の凹凸を用いた手法は、上記ＬＥＰＳ法に対して、ファセットＬＥＰＳ法とも呼ぶことができる。
【００４９】
凹凸の断面を図６に示すような矩形波状とする場合の好ましい寸法は次のとおりである。凹溝の幅Ｗ１は、１μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜２０μｍが好ましい。凸部の幅Ｗ２は、１μｍ〜２０μｍ、特に１μｍ〜１０μｍが好ましい。凹凸の振幅（凹溝の深さ）ｄは、０．２μｍ以上の深さがあれば良い。これらの寸法やそこから計算されるピッチ等は、他の断面形状の凹凸においても同様である。
【００５０】
上記のような転位密度低減化の構造に加えて、発光層で発生した光をより多く外部に取り出すための種々の構造（電極構造、反射層構造、上下を逆に実装し得るフリップチップ構造など）などを適宜設けることが好ましい。
【００５１】
当該発光装置の出力光となる蛍光は、可視光であればよく、励起光源であるＧａＮ系ＬＥＤの発光ピーク波長（４５０ｎｍ以下、３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ）から８００ｎｍまでの波長範囲内に、発光強度のピークを１つ以上有する光であればよい。なかでも、照明用途として白色光は有用であり、しかも、良好な演色性であるためには、赤色光、緑色光、青色光からなる３原色光を必須に含んで作り出される白色光（ＲＧＢ白色光ともいう）であることが好ましい。
【００５２】
蛍光体には、励起光源であるＧａＮ系ＬＥＤによって励起され、上記可視光を発する材料を用いればよい。
白色光を発生させ得る蛍光体（赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体）としては、公知の材料を用いてよいが、色調変化の少ない発光装置を構成するための好ましい白色蛍光体としては、赤色蛍光体として、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含み、緑色蛍光体として、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.６）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（１≧a＞0.６）〕、及び〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含み、青色蛍光体として、〔（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ〕および〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇:Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むものが挙げられる。
【００５３】
上記した蛍光体の材料は、蛍光を発する物質そのものであって、実際に蛍光体として当該発光素子と組み合わせて発光装置を構成する場合には、塗布可能な蛍光塗料や、組立て可能な蛍光体部品などとするのが好ましい態様である。そのために、該蛍光体の材料に対して、種々の基材との混ぜ合わせ、化合、基板への担持、固化など、種々の加工を施してもよい。発光素子と蛍光体とを組み合わせて１つの発光装置とするための結合方法、結合構造自体は、公知技術を参照してもよい。
【００５４】
当該発光装置の用途は限定されず、信号機、表示装置、電飾などであってもよいが、色調の変化が抑制された特徴が最も顕著となるのは、ＲＧＢ白色光を出力光として当該発光装置を構成し、これを複数集合させた照明装置である。
【００５５】
【実施例】
ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤ、白色蛍光体を用い、色調の変化が抑制された白色ＬＥＤを実際に製作した。
ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤの主な仕様は次のとおりである。
発光ピーク波長：３８０ｎｍ。
発光部の構造：Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ井戸層／ＧａＮ障壁層を６ペア積層したＭＱＷ構造。
転位密度低減化の手法：ファセットＬＥＰＳ法。
ベアチップの外形：３５０μｍ×３５０μｍ方形。
実装方式：フリップチップ
ベアチップ状態での発光出力：通電電流２０ｍＡにおいて７．８ｍＷ（樹脂モールドして１２．５ｍＷ）。
【００５６】
（ＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤの製作）
Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニングを行い、ＲＩＥ装置で１．５μｍの深さまで断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。
該パターンの仕様は、凸部幅３μｍ、周期６μｍ、ストライプの長手方向は、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした。
【００５７】
フォトレジストを除去後、通常の横型常圧の有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ）に基板を装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。温度を５００℃まで下げ、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温成長バッファ層を成長させた。
【００５８】
続いて温度を１０００℃に昇温し、原料（ＴＭＧ、アンモニア）、ドーパント（シラン）を流し、ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。このときのＧａＮ層の成長は、Tadatomoらによって開示された文献Jpn. J. Appl. Phys. 40 ・〔2001〕・L583. に示すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状の結晶として発生した後、凹部内に空洞を形成することなく、全体を埋め込む成長であった。
【００５９】
ファセット構造を経由して平坦なＧａＮ埋め込み層を成長し、続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発光波長３８０ｎｍの紫外ＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、３５０μｍ×３５０μｍのチップへと素子分離を行い、ベアチップ状態のＩｎＧａＮ紫外ＬＥＤを得た。
【００６０】
Ｓｉ基板を使ってサブマウント用の台座上に、サファイア基板側を上面に、所謂フリップチップ型実装を行った。該紫外ＬＥＤの搭載されたＳｉサブマウントをリードフレームのカップ内に固着した。この状態のＬＥＤチップの全発光出力を積分球で測定した所、２０ｍＡ通電時で７．８ｍＷを観測した。尚、このままエポキシ樹脂でモールドしたＬＥＤランプで同様の測定を行い、全発光出力１２．５ｍＷを観測した。この発光素子の発光面積は７．１８×１０^-4ｃｍ²であった。
この発光効率は、単位発光面積当たりの電流量２７．９（Ａ／ｃｍ²）における外部量子効率１２％に相当する。
尚、この発光素子は、少なくとも５０ｍＡの通電にも発光出力が飽和することなく、通電量に比例した発光出力が得られた。
【００６１】
（白色蛍光体の調製）
青色蛍光体の材料として、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎを主成分とする蛍光体を用い、緑〜黄色光を出力する蛍光体の材料として、Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｃｅ，Ｔｂと、(Ｙ、Ｇｄ) ₃ Ａｌ₅Ｏ₁₂ ：Ｃｅ，Ｔｂとを主成分とする蛍光体を用い、赤色光を出力する蛍光体の材料として、Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｓｃ）を主成分とする蛍光体を用いた。
これら各色の蛍光体を配合し、熱硬化型シリコン系樹脂に分散させて、白色蛍光体とした。
【００６２】
（発光装置の組立て）
フリップチップ実装された紫外ＬＥＤを覆うように、上記の白色蛍光体を塗布した。該蛍光体の塗布厚さは約１００μｍである。該厚みは、白色蛍光体の含有量に依存してその最適値は変化する。シリコン樹脂が十分固化してから、エポキシ樹脂を使って砲弾型のモールドを行い、本発明の発光装置（白色ＬＥＤランプ）に仕上げた。
【００６３】
（評価）
得られた発光装置に対して、ＬＥＤの駆動電流量を０．０７２ｍＡから５０ｍＡまで変化（単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０（Ａ／ｃｍ²）までの変化に相当）させたときの出力光の色度は、図２に示すように、ｘ−ｙ色度図の色度座標上で、点ｍ１（ｘ＝０．３、ｙ＝０．３４）から点ｍ２（ｘ＝０．２８、ｙ＝０．３２）まで変化した。
このときの２点間の変化量Δｍは、約０．０２８であり、本発明による色調変化の規定を満たすものであった。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によって、電流量が変化しても色調は変化し難い発光装置を提供でき、これによって、演色性の良好な白色光を安定して発する好ましい照明装置を提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光装置の構成を示す模式図である。ハッチングは、領域を区別する目的で施している。他の図も同様である。
【図２】本発明において、出力光の色度の変化量を規定するｘ−ｙ色度図である。
【図３】本発明の発光装置の構成に用いられるＧａＮ系ＬＥＤの素子構造の一例を示す図である。
【図４】ＧａＮ系ＬＥＤを構成するＧａＮ系結晶層の転位密度を低減させるために、結晶基板に設けられる凹凸構造、およびＧａＮ系結晶の成長の様子を示す模式図である。同図の例では、凹凸は、紙面に垂直に延びる凹溝・凸稜によるストライプ状のパターンであって、該紙面に垂直な方向が、成長するＧａＮ系結晶の〈１−１００〉方向である。
【図５】図４と同様に、ＧａＮ系ＬＥＤを構成するＧａＮ系結晶層の転位密度を低減させるために、結晶基板に設けられる凹凸構造、およびＧａＮ系結晶の成長の様子を示す模式図である。同図の例では、凹溝・凸稜の長手方向（紙面に垂直な方向）が、成長するＧａＮ系結晶の〈１１−２０〉方向である。
【図６】結晶基板上面に設けられる凹凸の寸法を示すための図である。
【符号の説明】
１ ＧａＮ系発光ダイオード
２ 蛍光体
Ｌ１ 発光ダイオードからの光
Ｌ２ 蛍光（＝出力光）

Claims (16)

1. ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置であって、
   前記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードであり、
   前記蛍光体は、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むものであり、
   該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内であることを特徴とする発光装置。
2. 上記ＧａＮ系発光ダイオードが、ＩｎＧａＮ系材料からなる発光層を含んで構成された発光部を有するものであって、該発光部の構造は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、またはダブルヘテロ構造であり、発光ピーク波長は４３０ｎｍ以下であり、ベアチップ状態において単位発光面積当たり３０（Ａ／ｃｍ²）の駆動電流を注入した時に５％以上の外部量子効率を有するものである、請求項１に記載の発光装置。
3. 上記ＧａＮ系発光ダイオードが、主発光と共に、それとは異なる波長のフォトルミネッセンス光を発するように構成されており、該フォトルミネッセンス光が上記蛍光と共に出力されるものである、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 上記蛍光体を分散した樹脂が、上記ＧａＮ系発光ダイオードを覆うように塗布されてなる、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
5. ＧａＮ系発光素子と、該発光素子から発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置であって、
   前記ＧａＮ系発光素子は、発光ピーク波長３６０ｎｍ〜４３０ｎｍ、全発光エネルギーの外部量子効率が１０％以上のＧａＮ系半導体レーザであり、
   前記蛍光体は、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含むもの
   であり、
   該半導体レーザのレーザ出力を発振閾値電流通電時のレーザ出力から該レーザ出力の１０倍のレーザ出力まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内であることを特徴とする発光装置。
6. 上記ＧａＮ系発光素子の発光部が、Ｉｎ_AＧａ_1-AＮ（０＜Ａ≦１）井戸層とＧａＮ系障壁層とからなる多重量子井戸構造であって、発光ピーク波長が３６０ｎｍ〜４３０ｎｍとなるようにＩｎ_AＧａ_1-AＮ井戸層の組成比Ａが決定されている、請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
7. 上記ＧａＮ系発光素子の素子構造が、表面に凹凸が加工された結晶基板上に、ＧａＮ系半導体からなる低温バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層が該凹凸を覆ってラテラル成長またはファセット成長しており、該ＧａＮ系結晶の上に発光部が形成された構造を有するものである、請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置。
8. 上記蛍光が、上記発光素子から発せられる光の波長から波長８００ｎｍまでの波長範囲内に、発光強度のピークを１つ以上有する光である、請求項１〜７のいずれかに記載の発光装置。
9. 上記蛍光が、赤色光、緑色光、青色光からなる３原色光を含んでなる白色光である、請求項８に記載の発光装置。
10. 上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる、請求項１〜９のいずれかに記載の発光装置。
11. 上記蛍光体が、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体の混合物からなる白色蛍光体であって、
    前記赤色蛍光体が、〔Ｌｎ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ（Ｌｎ＝Ｙ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ）〕、及び〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（0.5＞a＞0.2）〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含むものであり、
    前記緑色蛍光体が、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.6）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a）Ｓ：Ａｕ，Ａｌ、（１≧a＞0.6）〕、〔（Ｚｎ_a，Ｃｄ_1-a)Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ、（１≧a＞0.6）〕、及び〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ，Ｍｎ〕から選ばれる１種類以上の蛍光体を含むものである、請求項１〜１０のいずれかに記載の発光装置。
12. 上記蛍光体が、シリコン系樹脂に分散されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の発光装置。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の発光装置が複数集合した構成を有する照明装置。
14. 発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードを、該発光ダイオードに注入される駆動電流量が単位発光面積当たり７０．０（Ａ／ｃｍ²）以下のときに、通電量に比例した発光出力が得られるように実装した後、
    上記実装したＧａＮ系発光ダイオードに、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含みかつ該発光ダイオードから発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体を組合わせて、
    該蛍光体が発する蛍光を出力光とし、かつ、該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときの、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内である発光装置を得る、
    発光装置の製造方法。
15. ＧａＮ系発光ダイオードに蛍光体を組合わせるにあたり、ＧａＮ系発光ダイオードを覆うように、蛍光体を分散した樹脂を塗布する、請求項１４に記載の製造方法。
16. 発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下のＧａＮ系発光ダイオードと、青色蛍光体〔（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ ₁₀ Ｏ ₁₇ ：Ｅｕ，Ｍｎ〕を含みかつ該発光ダイオードから発せられる光で励起され可視光を発する蛍光体とが組み合されてなり、
    該蛍光体が発する蛍光を出力光とする発光装置を設計する方法であって、
    該発光ダイオードに注入される駆動電流量を、単位発光面積当たり０．１（Ａ／ｃｍ²）から７０．０（Ａ／ｃｍ²）まで変化させたときに、出力光の色度の変化量が、ｘ−ｙ色度図上において０．０５以内となる条件を満たすように、ＧａＮ系発光ダイオードと蛍光体とを選択し組合わせることを特徴とする、発光装置の設計方法。

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